Page 14 - 《真空与低温》2025年第4期

李帅勇等：CRAFT 磁体平台 6 kW@4.5 K 氦制冷机大型卧式真空绝热冷箱设计与应力分析 429

lated cold box presented in this article satisfies the requirements for a 6 kW@4.5 K helium refrigerator under various conditions.
Key words：CRAFT；4.5 K helium refrigerator；horizontal cold box；stress analysis；seismic response spectrum

0 引言 制冷机冷箱在正常运行工况下应力分布情况和应
变情况，模拟了 6 kW@4.5 K 氦制冷机冷箱在吊装
世界上大多数大科学装置都使用大型低温制
进厂情况下的应力与应变情况；并对 6 kW@4.5 K
冷系统 ，低温系统广泛应用于大型科学装置中，
[1]
氦制冷机冷箱进行了模态和地震响应谱分析。模
并发挥着重要作用。“聚变堆主机关键系统综合
拟结果证明了 6 kW 氦制冷机冷箱结构的合理性、
研究设施（CRAFT）”是国家大型科学装置，建设的
可靠性和安全性。
主要目的是探索和掌握下一代聚变反应堆关键技
术，为“中国聚变工程实验堆（CFETR）”的建设进 1 6 kW@4.5 K 氦制冷机流程简介
行测试和验证工作。为测试 CFETR 超导磁体的低 磁体性能测试平台 6 kW@4.5 K 氦制冷机包括
温性能，设计建设了一套 6 kW@4.5 K 大型氦制冷 压缩机站、除油系统和真空绝热冷箱三个主要部
[2]
机为超导磁体性能测试提供低温环境 ，该制冷机 分，氦制冷流程主要是带液氮预冷的柯林斯制冷流
设计指标还包括提供 20 g/s 的 50 K 冷氦气，15 kW 程 。1.9 MPa 常温高压氦气进入冷箱后，通过液
[4]
的 80 K 冷屏制冷量。大型氦制冷机需要将所有低 氮和低压回气预冷至 80 K。通过 300~80 K 的氦气
温部件集成在一个卧式真空绝热冷箱中，并配置支 循环实现超导磁体 300~80 K 降温过程。80 K 高压
撑结构将低温部件固定 。 氦气进一步降温后经过三台并联透平膨胀机后降
[3]
本文依照磁体性能测试平台 6 kW@4.5 K 氦制 温至 16 K；再经过主流路透平膨胀至 0.6 MPa 后降
冷机工艺流程和设备尺寸，完成冷箱内部设备单体 温至 9 K，最后经过末级换热器和节流阀降温至
三维模型和系统三维模型，并完成大型卧式真空绝 4.5 K 。低温用户返回的低压冷氦气，在冷箱内经
[5]
热冷箱结构设计；计算内部换热器支架和底部鞍座 过多级换热器回温至 300 K，最终返回压缩机站。
的应力分布情况和应变情况；分析 6 kW@4.5 K 氦 具体流程简图如图 1 所示。

氮气 液氮

制
冷
机
冷
箱

高压氦气 杜瓦
冷屏回气
中压氦气 冷屏供气
液氦输出
低压氦气 杜瓦

氦气回路

图 1 6 kW@4.5 K 氦制冷机流程简图
Fig. 1 Flow chart of 6 kW@4.5 K helium refrigerator

2 6 kW@4.5 K 冷箱三维模型及结构设计 吸附器用于吸附吹扫，还包括一个液氮槽，部件与
部件之间通过不锈钢管道连接。基于 6 kW@4.5 K
6 kW@4.5 K 冷箱选用 Q345R 碳钢材料，根据
氦制冷机流程，为方便人员操作，在冷箱壳体顶部
冷箱内部设备尺寸，需要设计为一个卧式真空容器。 开孔安装低温阀门、透平膨胀机等关键设备。为
外壳主要由前后端封盖、三段由加强肋焊接的直 方便冷箱内的管道接入压缩机侧和低温用户侧，在
圆柱体和底部的鞍座组成 ，换热器一共有四组， 冷箱壳体的侧面开孔布置氦气和氮气的进出口管
[6]
冷箱内配置 2 台 80 K 空气吸附器，1 台 20 K 氦氖 道。为方便后续的维护和运行，在冷箱壳体侧面靠