氦气低温纯化器已经被大量的运用于国内外超导加速器液氦制冷机低温系统,对系统的高效稳定运转意义重大。液氦制冷机低温系统的工作介质为99.999%的氦气。系统经长时间运转后,会因有外界空气混入被污染,从而造成系统内堵塞、运转效率下降甚至损坏。混入的主要为N2、02等气体杂质。氦气低温纯化器用于将混入系统内的N2、02等气体杂质加以去除,从而保障系统能长时间连续高效运转,并已被广泛应用且被证明行之有效,具有广阔的应用前景。目前国内外广泛应用于液氦制冷机低温系统的氦气低温纯化器由德国LINDE公司研发,价格昂贵、液氮(LN2)耗量大、工作周期短。本论文主要研究用于液氦制冷机低温系统的氦气低温纯化器,使之国产化并完全能替代国外产品。基于对氦气低温纯化器的设计方案优化及对其中的主换热器、蛇形管过冷换热器、液空分离筒、活性炭吸附器、LN2杜瓦瓶和压力、温度等测量、显示和控制仪表及安全装置的优化设计,本文中设计研制的氦气低温纯化器具有提纯性能好、LN2耗量低、工作周期长、价格便宜等特点,能实现将纯度99.96%的氦气提纯至99.999%。主要研究内容如下：Ⅰ.氦气低温纯化器主体结构方案设计优化研究LINDE公司同类氦气低温纯化器的结构设计方案,分析造成其在用于将99.96%的氦气提纯至99.999%时,液氮耗量大(2L/h)、工作周期短(6小时)的主要因素是：原料氦气在进入活性炭吸附器前未能被充分冷却,导致其在进入活性炭吸附器时温度明显高于LN2温度、气体杂质含量高。在我们的氦气低温纯化器优化设计方案中,增加用纯化过程中LN2产生的回流冷氮气增强对原料氦气的冷却,同时让原料氦气在进入活性炭吸附器前,先经过浸泡在LN2中的蛇形管过冷换热器和液空分离筒,在保障原料氦气进入活性炭吸附器时尽量接近LN2温度的同时,又可使其中的大量气体杂质先行因过冷饱和析出,以大大降低进入活性炭吸附器的气体杂质含量,从而可有效地降低纯化过程中的LN2消耗并延长氦气低温纯化器的工作周期。我们优化设计、研制的氦气低温纯化器采用由主换热器、蛇形管过冷换热器、液空分离筒、活性炭吸附器、LN2杜瓦瓶和压力、温度等测量、显示和控制仪表及安全装置等组成,其中的所有低温部件都装在LN2杜瓦瓶内。原料氦气经过主换热器、蛇形管过冷换热器及液空分离筒后,在进入活性炭吸附器时,其温度可被降至80K；经蛇形管过冷换热器和液空分离筒后过冷饱和析出的液态气体杂质,聚集在液空分离筒底部被定期手动排入大气。出液空分离筒的原料氦气在进入浸泡在LN2中的活性炭吸附器时,经低温吸附除去剩余的杂质,完成对原料氦气的提纯。Ⅱ.氦气低温纯化器主要构成要件的设计优化1.主换热器的优化设计主换热器优化设计方案为：在原料氦气和纯化了的冷氦气间换热以外,增加用回流冷氮气参与对原料氦气的冷却。主换热器设计为三通道的缠绕管式换热器,可将原料氦气冷却至90K。2.蛇形管过冷换热器的优化设计蛇形管过冷换热器优化设计方案为：原料氦气、液氮两种流体间换热的缠绕管式换热器,可将原料氦气进一步冷却至80K。3.液空分离筒的设计按原料氦气中02、N2杂质气体组分能全部在液空分离筒实现被液化分离,以12小时产生的液空体积计,设计液空分离筒4.活性炭吸附器的设计按原料氦气中02、N2杂质气体组分能全部在活性炭吸附器实现被物理吸附、去除,以10小时产生的、需要被吸附去除的杂质含量计,设计活性炭吸附器。5.LN2杜瓦瓶的设计按能承压0.1MPa设计,绝热方式采用高真空、多层绝热。6.压力、温度测量、显示、控制仪表及安全装置的设计配置PLC控制系统执行对压力、温度等的测量、显示和控制；Ⅲ.氦气低温纯化器的制造和性能检测该优化设计、研制的氦气低温纯化器已完成制造和性能检测,测试结果：能实现将纯度99.96%的氦气提纯至99.999%,纯化量达到100Nm3/h,工作周期11.6小时,LN2耗量<1L/h,再生周期6h;