波谱仪可拆卸零蒸发结构设计_唐晓世.pdf

安徽科技学院学报，（）：收稿日期：基金项目：国家 采购包项目（）。作者简介：唐晓世（），男，安徽安庆人，硕士，工程师，主要从事机械工程波谱仪研究。通信作者：许春雷，高级工程师，：。波谱仪可拆卸零蒸发结构设计唐晓世，许春雷（合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 ；中国科学院 等离子体物理研究所，安徽 合肥 ）摘要：目的：开发一种可在不用停止工作状态下更换 制冷机的零蒸发波谱仪结构。方法：对可拆卸结构进行总体设计，在满足绝热支撑强度和减小热负荷等功能要求的基础上优化制冷机可拆卸机构结构方案，保证系统能够长时间稳定运行。使用有限元分析的方法对真空壳体和支撑结构强度和稳定性进行分析，并对系统的热负荷进行计算和制冷机选型。结果：在极端运行工况下，波谱仪真空壳体最大应力为 ，绝热支撑的最大等效应力为，均远小于材料允许的许用应力。可拆卸零蒸发结构 制冷的热负荷为 ，制冷的热负荷为 。结论：波谱仪的强度和稳定性达标，同时整体传热方案满足系统冷量需求，因此可拆卸零蒸发结构能够满足设计和使用需求。关键词：可拆卸；绝热支撑；结构强度；热负荷中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，：，：，：；波谱仪是一种利用不同元素原子核性质的差异分析物质的磁学式分析仪器。研究原子核对射频辐射的吸收，可以广泛用于化合物成分和结构的定性和定量分析。当前，随着核磁共振技术的广泛应用和深入发展，核磁共振波谱仪在物理学、化学、生物、药学、医学、农业、环境、矿业、材料学等学科和工业领域的推广越来越普及。核磁共振波谱仪生产商主要有家，分别是德国的布鲁克公司、美国的瓦里安公司和日本的日本电子株式会社。超高场强超导磁体和全数字化波谱仪现在成为行业领域主流发展趋势。在我国，核磁共振波谱仪作为各高校研究材料化学、结构生物、医疗水平、物质勘探等基础学科领域广泛使用的关键仪器设备，其应用越来越广泛，需求也越来越多。但是由于多种因素的制约没有形成规模化生产，我国的核磁共振波谱仪绝大部分依赖进口。近些年市场上推出了零蒸发核磁共振波谱仪，技术人员开发波谱仪时，为了减小液氦的蒸发导致出现失超现象，给波谱仪系统配备了制冷机制冷系统，对杜瓦中的氦蒸汽进行再冷凝，液氦的蒸发率接近于零，即零蒸发率，以维持液氦容器中液面的稳定，通过制冷机的连续工作，极大地降低腔体内的液氦挥发，维持了腔体内部冷却系统并提供稳定的超导工作环境。但是在核磁共振波谱仪的实际工作过程中，为维持超导磁体超导状态，零蒸发系统的制冷机冷头需要一刻不停地运行。冷头的额定工作寿命一般在年左右，所以需要定期取下制冷机进行相关部件的更换。针对当前波谱仪研究过程存在的难点和趋势发展，本研究设计了一套可在不停止工作状态下更换 制冷机的零蒸发系统，通过将 制冷机设置独立真空腔体实现可独立拆卸而不影响整体系统的工作。波谱仪可拆卸零蒸发结构设计方案 波谱仪整体结构波谱仪结构主要由真空外筒、冷屏、内筒、绝热支撑以及超导磁体等部分组成，如图所示。真空壳体主要为核磁共振谱仪系统提供强度支撑和真空环境，磁体内筒则主要为内部磁体提供支撑和绝热环境，二者材料均为 奥氏体不锈钢。为降低波谱仪内部冷质量的热负荷，在腔体内部与真空外壳之间布置 层绝热，用于降低真空外壳内壁与腔体内部之间的辐射传热。为进一步降低冷质量的热负荷，在内筒与真空壳体之间布置铜冷屏，冷屏主体温度维持在 左右。冷屏和内筒都是通过 绝热吊挂支撑固定在真空壳体上。零蒸发结构设计波谱仪在工作时超导线圈需要浸入液氦中满足低温工作环境。同时采用 制冷机进行降温，将挥发的液氦再冷凝后重新返回内筒中实现零蒸发。本研究提到的零蒸发系统是基于不仅保证制冷机在安装后能够维持超导线圈所处的密封低温环境，同时在后期的使用和维护过程中，保证在不需要对内部液氦系统进行补充的基础上对制冷机进行维修和更换。本研究设计了一套制冷机的独立安装可拆卸机构，并通过温度传感器实时监测制冷机一级冷头温度和二级冷头的温度，当需要更换或维修 制冷机时，可将 制冷机组件整体拆下，且不影响系统的正常运行。通过真空密封圈和高强度螺栓使得制冷机组件与可独立拆卸式机构之间可以方便安装和拆卸，如图所示。冷头法兰和冷屏边缘法兰的边缘均做成楔形结构，制冷机一级二级冷头组件分别与相应的冷头法兰采用螺栓完全贴合，这样两者在实际低温工作时，楔形结构之间相互卡紧可以起到固定和限位的作用。冷头端面与冷头法兰之间垫一层 厚度的高纯度铟片，使得相互端面保持良好接触。在实际安装过程中，当制冷机冷头组件插入系统内时，两级冷头滑入紫铜边缘法兰楔形结构并紧密贴合，通过压紧螺母和冷屏直接紧密接触，保证一定的收缩量和受力稳定状态，确保整个系统有一定弹性的同时还能保证冷头安徽科技学院学报 年和法兰的接触和热传导，同时保证冷头不受较大的收缩应力导致振动加剧甚至损坏冷头。可拆卸零蒸发结构可以保证制冷系统在低温下的良好导热效果，还可以保证当波谱仪的冷头需要更换或者维护时，可在整个波谱仪系统不停止工作状态下将拆制冷机组件整体独立拆下。当需要维修和更换制冷机时，首先打开真空泄放阀，缓慢将波纹管真空系统破真空，然后将制冷机提起取出，再将准备好的制冷机匀速插入腔体进行安装。整个过程持续时间很短，内部超导磁体可以正常工作不用断电。图波谱仪可拆卸结构示意图 图可拆卸结构制冷机组件 可拆卸零蒸发结构设计的关键是要精确保证冷屏和真空上盖板之间的距离。本研究中冷屏和内筒均是通过 吊挂支撑固定在真空外筒盖板上的。材料与不锈钢相比，材料的导热系数更小，在工作方向上有很高的机械强度。支撑杆上下端车螺纹，采用 螺母与不锈钢固定件螺接。为保证一级波纹管固定在理论位置不受力，绝热支撑在加工时需要严格控制公差，长度方向的精度控制在 以内，这样一级冷头在插入波纹管腔体时可以保证高度差刚好和冷屏配合，同时保证冷头的平整度，防止方向偏差引起的震动缩减制冷机寿命。关键结构件强度和稳定性分析 真空壳体强度和稳定性分析压力容器的失效主要有强度失效和失稳种形式。真空壳体力学性能模拟的目的是确定容器的变形，校核容器的强度。波谱仪真空壳体主要由封头、筒体两部分通过螺栓连接组成。波谱仪真空壳体材料为 不锈钢，在 中输入材料的弹性模量、泊松比和密度，具体数值为：弹性模量 ，泊松比，密度 。真空壳体的约束主要靠底面与地面通过地脚螺栓固定，属于完全约束，因此定义底面所有节点自由度为零。真空壳体在工作时主要受到大气压力和自身重力类载荷。实际运行时产生的工况主要有种情况：正常工作状态和故障状态。正常工作时，真空壳体腔体内部为 的真空，腔体外部为 的大气压状态；当系统发生泄漏造成非正常工作状态时，内部腔体的压力会激增至 大气压，外部保持 的大气压状态，然后随着内部压力继续增大，真空壳体上的泄压阀会自动打开开始工作泄压，因此对于真空壳体这就是其受力的极值情况。本研究在 中建立简化的外筒模型，分别加载在正常工作和泄压极值工况下载荷的初始条件来进行数值分析，得到如图所示的外筒在意外工况下的位移和应力分布云图。由分析可以看出，在泄漏事故运行的工况下，壳体的最大变形发生在顶板上，为 ，最大应力位于壳体顶部的法兰焊缝处，为 ，低于 不锈钢 的许用应力，故波谱仪壳体强度满足设计要求，且可以看出最大等效应力均出现在上封盖和法兰颈管的连接处，因此保证盖板与法兰连接处的第 卷第期唐晓世，等：波谱仪可拆卸零蒸发结构设计焊接质量对壳体至关重要。图真空壳体受压工况下位移与应力分布 工程上常利用有限元方法对结构的稳定性进行分析。通常首先对结构进行特征值屈曲分析，然后在分析结果的基础上再进行非线性屈曲分析，最终得到结构的临界载荷。特征值屈曲分析首先要对已经施加了约束载荷的模型（正常工况的模型）进行结构强度分析，激活结构的预应力影响，且在整个壳体外表面施加单位压力，完成特征值屈曲分析，得到壳体的临界压力为 ，屈曲模态如图所示。在特征值屈曲分析的基础上，考虑壳体的制造工艺（如壁厚不均匀、圆度偏差、高度偏差等），对壳体施加厚度（）的最大缺陷进行非线性屈曲分析。根据特征值屈曲分析得到临界载荷，非线性屈曲分析施加的最大载荷为 ，通过跟踪真空壳体最大变形量与施加载荷之间的关系（图），来判断非线性屈曲分析发生时刻。如图所示，在 时，真空壳体最大变形量出现突变，壳体发生失稳，此时施加的压力即临界载荷，其值为 ，远大于真空壳体正常工作时所承受的压力（）。因此有限元分析结果表明在正常工作情况下，壳体不会发生失稳现象。绝热支撑强度和稳定性分析本研究中设计的波谱仪为可拆卸零蒸发结构，为了有效减小系统的热漏，并保证波谱仪的隔热效果，以磁体内筒、冷屏与真空外筒之间的支撑结构作为内外热传导的关键通道，降低支撑结构的热漏，可以有效减小总体的热负荷。因此本研究选取 复合材料作为绝热支撑，在保证机械强度的前提下，可以大大降低拉杆的传热量，同时避免了冷收缩引起的应力。材料具有在低温下导热率低、机械强度高、线膨胀系数小等特点，能够满足零蒸发结构的设计需求。在可拆卸结构系统中，绝热支撑作为磁体、冷屏与外界真空腔体连接的唯一通道，其结构强度和稳定性对整个系统尤为关键，所以需要对 绝热支撑进行相关有限元分析以判断其是否符合实际设计需求。内筒绝热支撑承受内部部件的整体重量约为，共有根绝热支撑，故在分析中绝热支撑的顶部加载 的压力载荷。计算结果显示，绝热支撑最大变形量为 ，出现在绝热支撑底端；最大等效应力为，出现在绝热支撑顶端，如图所示。可以看出，最大等效应力远小于 材料不锈钢的许用应力，且变形也非常小，所以可以断定绝热支撑强度满足要求。通过有限元分析得到屈曲载荷及总体位移分布（图），考虑工程因素的影响，对绝热支撑施加的最大缺陷进行非线性屈曲分析得到其临界压力为 。同样，考虑工程因素的影响，对槽钢支撑施加 的最大缺陷进行非线性屈曲分析得到其临界压力为 ，折算成支撑重量 。表明无论是理论计算还是有限元分析结果，都远大于实际单根绝热支撑极限重量 ，因此绝热支撑不会发生失稳现象。安徽科技学院学报 年图真空壳体特征值屈曲模态 图真空壳体最大位移与时间关系 图绝热支撑强度和稳定性分析结果 系统漏热量计算波谱仪作为低温真空容器，为满足长期高效工作，同时确保内部超导磁体不会发生失超等严重事故，尽可能减小热漏成为系统最重要的设计指标之一，本研究中可拆卸结构的热负荷来源主要有真空壳体与内部低温部件间支撑的导热漏热，常温真空壳体对内部低温部件的辐射漏热，真空腔体上出入管路连接件第 卷第期唐晓世，等：波谱仪可拆卸零蒸发结构设计的导热漏热。对于以上的漏热源分别采用不同的设计措施进行优化处理。内部低温部件与真空外壳间采用 环氧树脂作为支撑材料，支撑的设计在满足强度要求的前提下，尽量减小支撑的截面积，增加支撑的长度，以减小通过支撑而导致的传导漏热；对于内部冷屏、磁体筒体等辐射热漏比较大的低温部件，采用包扎多层绝热材料来减少辐射漏热；对于与真空腔体相连接的连接管路热量损耗，采用双层真空颈管和波纹管延长导热路径的方式减少壳体对管路的热量损耗。综上，结合本工程实际情况，制定以下整体冷却方案。波谱仪可拆卸零蒸发结构的传热性能分析主要分为两部分：超导磁体本体冷却方式为基于小型制冷机二级冷头的氦虹吸冷却；冷屏、支撑热隔断的冷却方式为基于小型制冷机一级冷头的传导冷却。零蒸发结构冷却直接设计目标是将超导磁体本体冷却到，并将冷屏冷却到，具体的热负荷计算如下。一级冷头传热计算 热负荷计算 热负荷对应运行在 温区的冷质量，主要包括：冷屏、制冷机一级冷头波纹管热隔断、冷屏 支撑。其热负荷来源包括：冷屏辐射（包括多层绝热）漏热，绝缘支撑漏热，制冷机一级冷头波纹管漏热和磁体内筒漏热。冷屏热负荷计算真空壳体与冷屏之间的热漏主要由 室温和 的冷屏温区之间的热辐射产生。为减小热漏，在铜冷屏外侧包裹 层双面镀铝涤纶薄膜高真空多层绝热材料。根据斯蒂芬玻尔兹曼定律，可以得到铜冷屏外侧的辐射热流量计算公式：（）其中，为辐射角系数，本研究取；为不锈钢表面的发射率，取.；为冷屏发射屏表面发射率，取 ；为斯蒂芬玻尔兹曼常数，为 （）；为冷屏容器表面积