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CGSE中液位指示稳定的低温沸腾换热器的设计
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CGSE中液位指示稳定的低温沸腾换热器的设计

陈树军,汪荣顺,石玉美(上海交通大学制冷和低温工程研究所,上海200240)

摘要:低温地面支持设备系统CGSE是用于冷却第二代阿尔法磁谱仪AMS02的磁体组件并将超流氦注入AMS02磁体杜瓦的低温设备系统。介绍用于CGSE系统中液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器,介绍了换热器的技术特性、设计原理、结构特征和技术要求。该低温沸腾换热器的结构特征主要在于两个筒体的使用,其中加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通,减小了沸腾引起的液位计信号波动。另外的一个结构特征是汇气管的使用,降低了气流对液位的冲击。最终实现了液位指示稳定,提高了低温沸腾换热器的换热性能,具有显著的经济效益和社会效益。

关键词:AMS02;CGSE;低温沸腾换热器;结构设计

1 引言

阿尔法磁谱仪(AlphaMagneticSpectrometer,简称AMS)是由诺贝尔奖获得者丁肇中教授领导的大型国际合作研究项目,将是人类送入宇宙空间的第一个大型磁谱仪。它的主要目标是在离地球表面高达430km处的地球大气外层空间中精确测量高能宇宙线的能谱、寻找反物质以及暗物质,测定宇宙射线中各元素和同位素的含量,研究γ射线以及捕捉新的奇异物理现象。

1998年6月,AMS01随发现号航天飞机STS-91在320km~390km的太空中试飞行了10天。AMS01中所使用的是永久磁体Nd2Fe14B,它可以产生非常均匀的0.15T的磁场强度。而AMS02将安装在国际空间站(ISS)中,计划以超导状态工作3年以上。AMS02中所能产生的磁场强度是AMS01中所能产生的磁场强度的6倍。如此高的磁场强度是通过超流氦冷却超导磁体系统而得到的[1-3]。

AMS02中最关键的部件是超导磁体。由上海交通大学参与合作设计并独立制造的低温地面支持设备(CGSE)系统是在发射前对超导磁体完成冷却、测试和超流氦加注的重要系统,该系统所用的换热器之一就是液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器。在整个研究过程中,CGSE将参与磁体在英国、欧洲原子核研究中心(CERN)、欧洲空间局和美国肯尼迪航天中心KSC的联合调试,最后在发射前,在KSC的航天飞机发射平台上对AMS02补满超流氦。

本文将介绍CGSE中液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的技术特性、设计原理、结构特征和技术要求。

2 液位指示稳定的补液式低温沸腾换热器的技术特性

该换热器是盘管式,其材质是0Cr18Ni9,它的支撑方式是通过换热器外筒体用玻璃钢管悬吊在恒温器的上封头。换热管的直径是D25×2mm,管子数量是1根。换热器由二个容器组成,筒体内径都是Φ350,其体积分别为65升和67升,且两个筒体的直边长分别为580mm和560mm,二个容器顶部高度差98mm。加注液体及装液位计的稳定筒与沸腾的换热筒是分开的,通过封头连通。高低二容器的气体引出均在上封头的顶部,进入封头内高度小于5mm。盘管的圈数需要不少于18,安装在65升的容器底部3/4的高度内,盘管的直径为Φ300。高真空多层包扎要求:该低温沸腾换热器的绝热结构采用双面镀铝涤纶薄膜或铝箔与隔热纸一一间隔组合而成,二个容器联合包40层。其技术特性如表1所示[4]。
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