脈管制冷機(jī)冷卻的小型超導(dǎo)磁體低溫系統(tǒng)研究.pdf

1、脈管制冷機(jī)由于冷端不存在運(yùn)動(dòng)部件，以其運(yùn)行可靠、低振動(dòng)、低磁噪聲以及長壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。隨著液氦溫區(qū)脈管制冷機(jī)性能的不斷改進(jìn)，脈管制冷機(jī)將逐步取代傳統(tǒng)的G-M制冷機(jī)，用來冷卻紅外傳感器、超導(dǎo)磁體等。液氦溫區(qū)脈管制冷機(jī)是冷卻小型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)較為理想的低溫制冷機(jī)。本文回顧了小型制冷機(jī)直接冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的發(fā)展，結(jié)合脈管制冷機(jī)的性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了用分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)冷卻的小型超導(dǎo)磁體低溫系統(tǒng)。磁體線圈在工作電流35A的情況下，磁體

2、中心區(qū)域產(chǎn)生5T的場(chǎng)強(qiáng)。用大型軟件Fluent對(duì)液氦杜瓦的溫度分布并用ANSYS對(duì)磁體磁場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。具體研究工作如下： 1．脈管制冷機(jī)冷卻小型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 小型超導(dǎo)磁體采用再冷凝方式冷卻，優(yōu)點(diǎn)是磁體溫度均勻，失超時(shí)通過蒸發(fā)液氦從而延長磁體溫度上升到失超溫度的時(shí)間。氦氣通過纏繞在制冷機(jī)回?zé)崞魃系穆菪伪”诓讳P鋼管預(yù)冷后進(jìn)入液氦杜瓦，杜瓦上法蘭與制冷機(jī)二級(jí)冷頭聯(lián)接，下表面設(shè)計(jì)有導(dǎo)熱翅片，用來冷卻杜瓦內(nèi)自然

3、對(duì)流上升的飽和氦氣。磁體失超等因素蒸發(fā)的氦氣通過排出管送入室溫儲(chǔ)罐。磁體系統(tǒng)在工作電流35A，制冷機(jī)一級(jí)冷頭40K的熱負(fù)荷為5.12W，制冷機(jī)二級(jí)冷頭4.2K的熱負(fù)荷為100.1mw。 2．穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程數(shù)值模擬 為考察液氦杜瓦內(nèi)的溫度分布情況和磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)各部分的影響，本文借助大型軟件Fluent和ANSYS對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——液氦杜瓦的溫度場(chǎng)和螺線管超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。模擬結(jié)果表明液氦杜瓦內(nèi)溫度分布均

4、勻，產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)各部件的影響不大。 3．分離型脈管制冷機(jī)試實(shí)驗(yàn) 為了配合冷卻超導(dǎo)磁體的需要，本文對(duì)研制的分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)于分離型二級(jí)脈管制冷機(jī)來說，第一級(jí)能否獲得很好的制冷性能直接影響整臺(tái)制冷機(jī)的最終性能。本文通過對(duì)制冷機(jī)系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的制冷性能，最低無負(fù)荷制冷溫度達(dá)到12．6 K，這是目前國際上單級(jí)脈管制冷機(jī)獲得的最低制冷溫度，在40 K具有59W制冷量。該制冷機(jī)

5、用于預(yù)冷第二級(jí)脈管制冷機(jī)，在壓縮機(jī)輸入電功率為6．6kW，二級(jí)冷頭在4．OK具有518mW的制冷量，同時(shí)第一級(jí)在40K時(shí)制冷量為19．8W，能基本滿足冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的需要。 4．二元電流引線設(shè)計(jì) 銅電流引線和高溫超導(dǎo)二元混合電流引線是再冷凝方式冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。電流引線優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是在滿足設(shè)計(jì)電流的前提下，盡可能減小電流引線向低溫冷頭的漏熱。高溫超導(dǎo)電流引線的優(yōu)點(diǎn)是消除了焦耳熱，而且熱導(dǎo)率很低，大大