國家同步輻射研究中心

低溫小組是國內超低溫相關領域開發、製造與應用之專業團隊，主要任務包括液氦與液氮製造系統設計與建造、液氮自動灌充系統設計與建造、超低溫設備元件相關設計與製造技術開發、液氦與液氮系統操作與定期維護

• TLS液氦製造系統
• TPS液氦製造系統
• 液氮供應系統
• TPS液氦傳輸系統
• 多內管超低溫流體輸送管路設計開發
• 再冷凝式液氦製造機設計開發
• 氦氣純化系統設計開發
• 低溫真空隔熱管路設計開發

TLS液氦製造系統

國家同步輻射研究中心電子儲存環於近幾年已陸續啟用超導高頻共振腔、超導差件磁鐵，以提昇儲存環電子束電流、電子束穩定性以及提供更多高亮度的硬X光光源。為使超導高頻腔以及超導磁鐵維持在超導態，必須有液氦/液氮低溫系統以提供適當之低溫冷卻環境。低溫系統計劃之目的在於建構與維護液氦、液氮等低溫設施，以滿足超導高頻腔、超導磁鐵以及其他相關超導方面之液氦、液氮低溫冷卻需求。低溫小組於所建置之低溫系統是台灣最大型之液態氦系統，建置與運轉期間所建立起來的液氦系統技術，包括氦液化低溫系統規劃設計、液態氦製造程序、長距離液態氦傳送、長時期液態氦、高純度氦氣儲存、氦氣純化處理、二套低溫系統間相互支援運轉等相關之低溫技術、以及有關的公共安全問題研究。都直接帶動台灣低溫技術的提升。TLS第一套液氦系統最大液氦製造能力每小時134公升，於零下268.5℃下最大冷卻能力469W。第二套液氦系統最大液氦製造能力每小時138公升，於零下268.5℃下最大冷卻能力457W。液氦系統元件主要分為壓縮機與濾油器、氦氣儲槽、液化機、液氦儲槽四部分，每部分相對應為液氦製程中之一環節。液氦製造循環流程：氣體壓縮→冷卻降溫→液化→升溫膨脹→氣體壓縮。系統理想熱循環效率1.42%，實際熱循環效率0.16%。

 

 

 

 

 

 

TPS液氦製造系統

台灣光子源(TPS)液氦製造系統目的係為保持超導高頻腔於低溫超導狀態所需液氦低溫冷卻。液氦系統最大液氦製造能力每小時239公升，以及於零下268.5℃下最大冷卻能力890W。本系統為台灣最大之液氦製造機，目前所製造之液氦全數提供超導共高頻腔使用，使用後的氦氣可回收再液化。TPS使用超導高頻共振腔來提昇儲存環電子束電流、電子束穩定性以及提供更多高亮度的硬X光光源。為使超導高頻腔維持在超導態，必須有液氦/液氮低溫系統以提供適當之低溫冷卻環境。低溫小組建置之低溫系統是目前台灣最大型之液態氦系統，建置與運轉期間所建立起來的液氦系統技術，包括氦氣液化系統規劃設計、液態氦製造程序、長距離液態氦傳送、長時期液態氦、高純度氦氣儲存、氦氣純化處理、多低溫系統間相互支援運轉等相關之低溫技術、以及有關的公共安全問題研究。都直接帶動台灣低溫技術的提升。液氦系統元件主要分為壓縮機與濾油器、氦氣儲槽、液化機、液氦儲槽四部分，每部分相對應為液氦製程中之一環節。液氦製造循環流程：氣體壓縮→冷卻降溫→液化→升溫膨脹→氣體壓縮。

低溫有很多應用，通常用於工業和醫療應用中。低溫技術有很多應用可以在我們的日常生活中找到。例如醫療，半導體，氣體工業，電信，電子，生化，真空鍍膜和實驗室用設備等。

 

 

 

 

表 液氦製造系統於不同模式下的性能

液氮供應系統

低溫小組於中心安裝一座液氮供應系統，用以供應低溫系統，超導高頻系統，超導磁鐵以及光束線實驗站所需液氮。包含60000升之液氮儲槽、1000公尺單層液氮傳輸管路、2座分別為250升與1000升之液氮穩壓設備以及24條分支段供實驗站連接使用。另外長度約500公尺的氣氮管路也在此供應系統內。

國家同步輻射研究中心有許多實驗室與研究用戶，以往作實驗之所需液氮都是採外訂，費用與時效上非常不經濟。低溫小組參考國外大型實驗室的做法，建製一套自動化液氮充填系統，方便將所需液氮充填至活動式液氮桶中。目前平均液氮總使用量達4000公斤/月。

 

 

 

 

TPS液氦傳輸系統

TPS液氦傳輸系統連接低溫系統與超導高頻系統，目的是傳輸液氦/液氮與回收超導高頻系統使用過之低溫氦氣。此系統包括一個分配閥箱(16個低溫閥)，四個控制閥箱(每個控制閥箱14個低溫閥)和七段長約125公尺多通道傳輸管(內有4條管路，分別為液氦供應管，液氮供應管，氣氦回流管以及氣氮回流管)。測試結果總體熱負載在4.5K下110W。

 

 

 

 

多內管超低溫流體輸送管路設計開發

在低溫設備及傳輸管路的設計與實務操作會遇到低溫流體在受熱時會產生快速及高倍膨脹形成液氣共存現象造成極大的傳輸損耗相當不利於流體的輸送。在系統整合應用時往往需要同時輸送多種不同溫度之超低溫流體，如何降低這些流體在熱傳上的相互干擾也是極為重要的課題。開發全新的低漏熱多內管型超低溫流體輸送管路可針對不同溫度之超低溫流體同時進行傳輸內部多重傳輸管，透過特殊結構的設計，有效把熱損降至最低，可阻絕不同溫度之超低溫流體輸送時產生相互熱傳干擾多內管型超低溫流體輸傳輸應用上有極大助益。低溫系統流體之特性:超低潛熱且易氣化低溫流體傳輸路徑錯綜複雜且路徑長造成管路內充斥兩相流體增加管路壓損降低傳輸效率進而造成低溫設備無法獲得足夠低溫流體而穩定運作低漏熱多內管型超低溫流體輸送管路因本設計可有效降低低溫流體傳輸熱損，有效降低汽化現象，可大幅提升傳輸效益以及穩定性為解決傳輸熱損過大問題。

自製設備與量測系統整合

 

 

再冷凝式液氦製造機設計開發

低溫實務操作上，液氦在製造端與使用端間傳輸過程中，容易因高溫環境受熱而汽化，造成傳輸管路中產生兩相流體現象(液氣共存)，此現象產生造成管路壓損增加及傳輸效率降低，較嚴重會讓使用端無法獲得足夠的低溫液氦，造成使用端系統不穩定、易跳機等情況。

為有效改善一高度危害低溫系統的問題，我們開發出一套再冷凝式液氦製造機，可將管路中兩相流體引進至製造機內有效分離液氦與氣氦，製造機整合低溫冷凍機建立一套再冷凝機制，將分離後氦氣再次冷凝為液氦，製造機出口處將可獲得高純度液氦，有效減少傳輸管路系統中的液氦乾度，進而降低管路額外壓損與解決造成低溫系統不穩定等情況。目前研發成功之再冷凝式液氦製造機，搭配4K低溫冷凍機冷凝氦氣，並於系統內增設輻射隔離檔板之結構，可有效降低製造機之熱負載，成功將常溫氦氣再冷凝成液氦(295K->4K)，總冷凝能力約0.73W@4.8K，系統總熱損約1.2W@4.8K。

 

 

 

氦氣純化系統設計開發

維持氦氣純度(>99.9997%)，是保證低溫系統安全穩定運行的重要前提和保障。在正常操作的情況下，由於低溫設備是封閉的系統，氦氣純度不應出現污染的情況，但諸如高壓容器的法規檢查、壓縮機的維護、氦氣管路的洩漏或負壓情況。皆不可避免地導致微量污染發生。而污染的主要成分是氧氣，氮氣和水分。

設計出相應的低溫純化器的經驗，分析純化及再生效果，使其滿足用戶的要求。低溫純化器去除氦製冷系統中的雜質氣體。低溫小組建置2組自動化氦氣純化系統，一組氦氣純化器系統含5個小型淨化器，每個淨化器的每小時允許氦氣流量達95立方米。經由氣體分析儀可分析純化結果。此氦氣純化系統已運轉多年，有效的降低氦氣的雜質污染，提高氦氣的純度。

 

低溫真空隔熱管路設計開發

低溫真空隔熱管為雙重管路設計，內管供低溫流體傳輸，外管為真空管。內管與外管間真空層之真空度於室溫時保持在1×10^-4 torr 以下，以防止因氣體對流產生之熱損耗。內管之外層並包覆多層絕熱材質以隔絕外管室溫產生之熱輻射至內管低溫。內管與外管間之間距支撐則使用低熱傳導係數材料製作，以減少外管室溫藉由間距支撐傳導熱量至內管。管路上有一抽真空套頭，該真空接頭為適合靜態真空之設計，內有一O-ring 密封墊可於軟管真空度達到要求時用來隔斷真空幫浦與軟管真空。