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)由于冷端不存在運動部件，以其運行可靠、低振動、低磁噪聲以及長壽命等顯著優(yōu)點受到人們的青睞。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，設(shè)計了用分離型二級脈管制冷機(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的場強。用大型軟件Fluent對液氦杜瓦的溫度分布并用ANSYS對磁體磁場分布進(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 小型超導(dǎo)磁體采用再冷凝方式冷卻，優(yōu)點是磁體溫度均勻，失超時通過蒸發(fā)液氦從而延長磁體溫度上升到失超溫度的時間。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)二級冷頭聯(lián)接，下表面設(shè)計有導(dǎo)熱翅片，用來冷卻杜瓦內(nèi)自然

3、對流上升的飽和氦氣。磁體失超等因素蒸發(fā)的氦氣通過排出管送入室溫儲罐。磁體系統(tǒng)在工作電流35A，制冷機(jī)一級冷頭40K的熱負(fù)荷為5.12W，制冷機(jī)二級冷頭4.2K的熱負(fù)荷為100.1mw。 2．穩(wěn)態(tài)運行過程數(shù)值模擬 為考察液氦杜瓦內(nèi)的溫度分布情況和磁場對系統(tǒng)各部分的影響，本文借助大型軟件Fluent和ANSYS對系統(tǒng)中關(guān)鍵部件——液氦杜瓦的溫度場和螺線管超導(dǎo)磁體的磁場分別進(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)生的磁場對系統(tǒng)各部件的影響不大。 3．分離型脈管制冷機(jī)試實驗 為了配合冷卻超導(dǎo)磁體的需要，本文對研制的分離型二級脈管制冷機(jī)進(jìn)行了試驗研究。對于分離型二級脈管制冷機(jī)來說，第一級能否獲得很好的制冷性能直接影響整臺制冷機(jī)的最終性能。本文通過對制冷機(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)冷第二級脈管制冷機(jī)，在壓縮機(jī)輸入電功率為6．6kW，二級冷頭在4．OK具有518mW的制冷量，同時第一級在40K時制冷量為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 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)計的目的就是在滿足設(shè)計電流的前提下，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)點是消除了焦耳熱，而且熱導(dǎo)率很低，大大