脈管制冷機冷卻的小型超導磁體低溫系統(tǒng)研究.pdf

1、脈管制冷機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)脈管制冷機性能的不斷改進，脈管制冷機將逐步取代傳統(tǒng)的G-M制冷機，用來冷卻紅外傳感器、超導磁體等。液氦溫區(qū)脈管制冷機是冷卻小型超導磁體系統(tǒng)較為理想的低溫制冷機。本文回顧了小型制冷機直接冷卻超導磁體系統(tǒng)的發(fā)展，結(jié)合脈管制冷機的性能特點，設(shè)計了用分離型二級脈管制冷機冷卻的小型超導磁體低溫系統(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對磁體磁場分布進行了數(shù)值模擬。具體研究工作如下： 1．脈管制冷機冷卻小型超導磁體系統(tǒng)的總體設(shè)計 小型超導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回熱器上的螺旋形薄壁不銹鋼管預冷后進入液氦杜瓦，杜瓦上法蘭與制冷機二級冷頭聯(lián)接，下表面設(shè)計有導熱翅片，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，制冷機一級冷頭40K的熱負荷為5.12W，制冷機二級冷頭4.2K的熱負荷為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磁體的磁場分別進行了數(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．分離型脈管制冷機試實驗 為了配合冷卻超導磁體的需要，本文對研制的分離型二級脈管制冷機進行了試驗研究。對于分離型二級脈管制冷機來說，第一級能否獲得很好的制冷性能直接影響整臺制冷機的最終性能。本文通過對制冷機系統(tǒng)的主要部件進行改進和參數(shù)優(yōu)化，獲得了優(yōu)良的制冷性能，最低無負荷制冷溫度達到12．6 K，這是目前國際上單級脈管制冷機獲得的最低制冷溫度，在40 K具有59W制冷量。該制冷機

5、用于預冷第二級脈管制冷機，在壓縮機輸入電功率為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二元混合電流引線是再冷凝方式冷卻的超導磁體系統(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。高溫超導電流引線的優(yōu)點是消除了焦耳熱，而且熱導率很低，大大