（制冷及低温工程专业论文）小型超导磁体的电流引线及脉管制冷机研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 小型超导磁体的电流引线 及脉管制冷机研究1 陈运鑫 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 小型低温制冷机技术的发展和高温超导材料的发现，使得利用制冷机冷却低 温超导磁体成为可能，而脉管制冷机由于冷端不存在运动部件，具有运行可靠、 低振动、低噪声以及长寿命等优点，得到人们的青睐。本文主要介绍使用自制的 二级脉管制冷机冷却小型n b t i 超导磁体系统以及系统中二元电流引线的设计问 题，详细介绍了脉管制冷机第一级恢复实验结果。具体研究工作如下： 1 、二级脉管制冷机冷却小型n b t i 超导磁体系统元件的加工和组装。本文从 实际的加工和组装出发，详细介绍了系统中的超导磁体系统、低温冷却系统及一 些辅助元件的结构。 2 、系统中二元电流引线的优化设计电流引线由高温段的铜引线和低温段 的b i 2 2 2 3 高温超导电流引线组成，运行电流3 5 a 。假设遵守w i e d e m a n - f r a n t z 定律的基础上，对铜引线进行理论优化，得到最佳几何优化参数r ；利用拟合热 导率与电阻率的计算式，用数值方法得到优化结果。由于对热导率和电阻率的处 理方法不同，造成了求解结果的差异。对本系统来说，数值求解得到的最佳几何 优化参数i 和最小漏热量略小于理论解并且两者温度分布不同，数值计算中的物 性更接近实际物性，所以结果较为精确，但与实际优化值相比仍存在误差。通过 计算f i t s 电流引线发现：h t s 电流引线存在一个合理的长度范围使得其对制冷 机单位电流功耗影响较小且引线制作成本低；当h t s 电流引线长度一定时，存 在一个唯一最佳电流密度和截点温度使得制冷机单位电流功耗最小。 3 、使用有限元软件a n s y s i o 0 ，对电流引线中的传热进行有限元分析。对 热传导有限元基本理论进行了简单介绍，建立了有限元模型。通过求解一系列不 同结构尺寸的模型，得到铜引线低温端面漏热与r 值的关系曲线，验证优化设计 1 本课题受国家自然科学基金( 5 0 1 0 6 0 1 3 ) 和教育部科学技术研究重点项目( 1 0 5 0 9 5 ) 资助。 i 浙江大学硕士学位论文摘要 得到的r 值。铜引线最优结构时的温度分布形状与优化设计中得到的结果存在差 异，这也是由于对物性处理方法不同引起的。由于有限元分析过程中使用了实际 物性，所以得到的结果更精确。数值模拟了铜电流引线尺寸不变时在不同电流下 的温度分布，由此研究当电流变化时引线内的温度变化，可避免因电流过大烧毁 引线。 4 、二级脉管制冷机第一级恢复实验。系统使用自行研制的二级脉管制冷机， 为确保系统组装后制冷机能正常运行，在组装之前对制冷机第一级进行恢复实 验，检查制冷机性能。多次实验后的结果证明，制冷机一级性能有所下降，但仍 能满足系统要求，并对可能造成制冷机性能下降的原因进行了分析。 关键词：脉管制冷机，超导磁体，电流引线，有限元方法 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nc u r r e n tl e a d sa n dp u l s et u b ec o o l e rf o r s m a l ls u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t c h e ny u n x i n i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n 曲雠咖岛 z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u ，31 0 0 2 7 a b s t r a c t r e c e n tp r o g r e s s e si nt h ed e v e l o p m e n to fs m m lc r y o c o o l e ra n dt h ed i s c o v e r yo f 1 l i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a t e r i a l sh a v ei m p r o v e dt h ep o s s i b i l i t yo fu s i n g t h ec r y o c o o l e r s c o o l e dl o w t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m p u l s et u b e c o o l e rh a sn om o v i n gp a r t sa tc o l dh e a d t h u si th a sb e e nc o n s i d e r a b l ea d v a n t a g e so f h i g h e rr e l i a b i l i t y , l o w e rm e c h a n i c a lv i b r a t i o n , l o w e rn o i s ea n dl o n g e rl i f e t i m et h a n o t h e rt y p e so fr e f r i g e r a t o r s t h i sp a p e ri n t r o d u c e das m a l ln b t is u p e r c o n d u c t i n g m a g n e ts y s t e mc o o l e db yas e l f - m a d et w o - s t a g ep u l s et u b ec o o l e r , a n dap a i ro f b i n a r y c u r r c m tl e a d sw a sa l s od e s i g n e df o rt h i ss y s t e m t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t so nt h e f i r s ts t a g eo ft h ep u l s et u b ec o o l e ra l ep r e s e n t e d t h ed e t a i l e dr e s e a r c hw o r ki s f o l l o w e d ： 1 m a n u f a c t u r ea n da s s e m b l et h ec o m p o n e n t so f t h es y s t e mt h a tt h es m a l ln b t i s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i sc o o l e d b yt w o - s t a g ep u l s e t u b ec o o l e r t h e s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m ，t h ec r y o g e n i cs y s t e m a n do t h e ra c c e s s o r i a l c o m p o n e n t sa l ei n t r o d u c e di nd e t a i l 2 d e s i g no fap a i ro fb i n a r yc u r r e n tl e a d s t h ec u r r e n tl e a d sa r ec o n s i s t e do f n o r m a lc o p p e ra th i g ht e m p e r a t u r ea n db i 2 2 2 3a tl o wt e m p e r a t u r ew i t ho p e r a t i n g c u r r e n t3 5 a t h e o r e t i c a lo p t i m i z a t i o nm e t h o do fn o r m a lc o p p e rw h i c hc o n f o r m st o t h ew i e d e m a n n f r a n zl a wi s a d o p t e dt oo b t a i nt h eb e s tg e o m e t r i cp a r a m e t e rf n u m e r i c a lm e t h o di sa l s ou s e dt o o p t i m i z e t h e c o p p e rc u r r e n t w i t ht h e t e m p e r a t u r e d e p e n d e n tt h e r m a lc o n d u e t i v i t ya n de l e c t r i cr e s i s t a n c e t h er e s u l t sf r o m t h et w om e t h o d sa r cd i f f e r e n ta r i s ef r o md e a l i n gw i t ht h et h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n dt h e e l e c t r i cr e s i s t a n c e t h ev a l u eo ffa n dt h eh e a tl e a kf r o mt h en u m e r i e a im e t h o di s 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t l e s st h a nt h o s ef i o mt h et h e o r e t i c a lm e t h o df o rt h i ss y s t e m , a n dt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni sa l s o d i f f e r e n t t h e r ei sar e a s o n a b l er a n g eo fl e n g t ho f h _ r sc u r c e n tl e a d t or e d u c et h ei m p a c to nt h er e f r i g e r a t o rp o w e rp e ru n i tc u r r e n ta n dt h ec o s to fh t s c u r r e n t g i v e nt h el e n g t ho ft h eh t sc u r r e n tl e a d , t h e r ei so n l y0 1 1 0b e s tc u r r e n t d e n s i t ya n do n eb e s tj o i n tt e m p e r a t u r et om a k et h er e f r i g e r a t o rp o w e rp e ru n i tc u r r e n t m i n i m i z e 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no l lc u r r e n tl c a d s t h es o f t w a r ea n s y s i o 0i su s e dt o a n a l y z et h eh e a tu a n s f e ro ft h ec u r r e n tl e a d t h eb a s i ct h e o r yo ft h ef i n i t ee l e m e n to f h e a tt r a n s f e ri si n t r o d u c e d , a n dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r eb u i l t 1 1 地r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eh e a tl e a ka tl o w - t e m p e r a t u r ee n da n dt h ev a l u eo ffi ss u m m a r i z e db y s o l v i n gm o d e l sw i md i f f e r e n td i m e n s i o n s i ti sf o u n dt h a tt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n a c c o r d sw e l lw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n , h o w e v e r , t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n f r o mt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sd i f f e r e n tf i o mt h er e s u l t sf r o mt h et h e o r e t i c a l m e t h o d ss i n c et h ed i f f e r e n td e a l i n gw a y sf o rt h em a t e r i a lp r o p e r t i e s b e c a u s ew eu s e t h er e a lp r o p e r t i e si nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h er e s u l t sa r em o r ee x a c t n u m e r i c a l s i m u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n d e rv a r i o u sc u r r e n t si si n v e s t i g a t e di n o r d e rt oa v o i db u m e do f f o f t h el e a d 4 e x p e r i m e n t0 1 1t h ef i r s ts t a g eo ft h et w o s t a g ep u l s et u b ec o o l e r i no r d e rt o r e c o v e rt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o o l e ra n dt oa s s u r et h a tt h ea s s e m b l e ds y s t e mc 锄 o p e r a t en o r m a l l y , r e c o v e re x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e p e r f o r m a n c eo f t h ec o o l e ri sd e t e r i o r a t e da n dt h ep o s s i b l er e a s o n sa r ea n a l y z e d , b u ti t s t i l lb ea b l et om e e tt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：p u l s et u b ec o o l e r , s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t s ，c u r r e n tl e a d s ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d i v 塑垩盔兰堡主堂垡鲨兰 丝兰室 缩略语 英文字母 希腊字母 h t s f o m r r r c c v c 符号表 高温超导体0 d g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ) 热力完善度( 吐bf i g u r e o f m e r i t ) 剩余电阻率i 七( r e s i d u a lr e s l c m n c er a t i o ) 传导冷却( c o n d u c t i o nc o o l e m 蒸汽冷却( v a p o rc o o l e d ) 横截面积( m 2 ) 比热容( j ( k g k ) ) 对流换热系数( j ( m 2 k ) ) 电流( a ) 电流密度( a 锄2 ) 电流引线总长度( m ) l o r c n t z 系数( 2 1 x1 0 4j 吖k 2 ) 压力( b a r ) 热流密度( w m 2 ) 漏热量( w ) 制冷机功耗( w ) 时间( s ) 温度( k ) 体积( m ) x 方向坐标轴 热导率( w ( m k ) ) 对应剩余电阻率的热导率( w ( m k ) ) 理想晶格热导率( w ( m k ) ) 液氦的密度( k g m ) 氦气的密度( k g m 3 ) 电阻率( q m ) 剩余电阻率( q m ) 理想晶格电阻率( q m ) 电流引线优化参数( r = z 叫彳) v 4 c，工厶p g q ，r y 工 z厶五嵋匕p玮n r 浙江大学硕士学位论文符号表 上、下标 1 2 h 】 l 单位时间内单位体积中内热源的生成热( 、m 3 ) h t s 电流引线 铜电流引线 电流引线高温端 截点 电流引线低温端 学号2 0 5 0 8 2 4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸江盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：了氧连继 签字日期：2 ，。7 年6 月l f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全r 解逝江盘茎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 逝望盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：话、虹鑫 签字日期：川年月j 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师签名：飞做 签字同期：o t - 年6 月ft t 日 签字同期： 年g 月f 日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了课题的研究背景，包括超导磁体的主要冷却方式，制冷机冷 却超导磁体系统以及电流引线的研究进展，最后简单介绍了脉管制冷机的发展历 史及研究现状。 1 1 课题研究背景 1 9 1 1 年，荷兰物理学家h k o n n e s 在测试汞低温下电阻率的特性时发现， 当温度降到4 2 k 后，汞的电阻突然消失，他认为汞这时进入了一种以零阻值为 特征的新物态，并称为“超导态”。从此，超导现象被人们发现并开始研究。近 百年来，超导的研究及其应用得到了迅速发展。超导材料的零电阻特性及完全抗 磁性的重要特征，奠定了其应用基础，目前，如生物医学领域的超导核磁成像 ( m r i ) 和核磁共振谱仪( n m r ) ，大型科学工程中的高能物理加速器、高能粒子探 测器、核聚变装置等系统中都用到了超导技术。 超导磁体是超导技术的最早应用之一，由于超导现象需要在低温下才能实 现，所以必须对超导磁体进行冷却。超导磁体的冷却方式主要有三种【1 1 ： 1 ) 浸泡冷却。常规的超导磁体都在液氦温区下运行，因此最简便的磁体冷 却方式就是将磁体浸泡在液氦中。目前大多数的常规超导磁体都是采用这种冷却 方式，这样就需要有一个绝热性能好的低温容器。它不仅要具有最小的漏热，以 便尽可能长时间地保存液氦；还要能支持有一定重量的超导磁体；同时在失超时 能承受一定压力。不过，这种冷却方式只用于大型超导磁体或形状特殊的超导磁 体。而且这种方式需要定期补充液氦，还需要有一套回气系统，因此给磁体操作 带来不便，且需要丰富的低温知识和熟练的低温技术及经验，液氦价格也比较昂 贵。磁体一旦因某种原因造成失超，还将引起液氦大量挥发导致系统内压力积聚 升高，因而对回气系统和低温容器设计提出更苛刻的要求。 2 ) 间接冷却，即液氦不直接与超导磁体接触，而在盘于超导磁体表面的盘 管中流动，通过盘管与超导体接触来冷却磁体。这种冷却方式主要用在大型薄壁 超导磁体中，如高能探测器超导磁体。它直径达数米，磁场近l 2 t ，因此线圈 层数少，仅一至两层。这样在超导线表面加盘管冷却的方式比较合适。 3 ) 制冷机直接冷却超导磁体。近年来低温制冷机技术发展迅速，同时由于 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 高温超导材料的发现，用它来制造电流引线不仅消除了焦耳热损耗，而且降低了 传导漏热，使得用低温制冷机直接冷却超导磁体成为可能。用制冷机直接冷却超 导磁体具有很多优点，如不需要使用液氦，没有一套氦气回收系统，因此运行维 护方便；由于没有液氦，磁体只需安置在一个真空容器中，因而可以大大简化低 温容器的结构，使系统更加紧凑和轻便；同时也避免了一旦磁体失超液氦骤然挥 发产生高压力的危险等。但由于受制冷机冷却功率限制，目前只用于小型超导磁 体系统，且冷却时间长，对磁体的热阻有特殊要求，磁体容易失超。 在浸泡冷却系统中，为减少液氦的挥发，延长补充液氦的时间，可以采用低 温制冷机冷却液氦容器隔热冷却屏【2 】。例如，如果隔热冷却屏的温度能被冷却到 i o 2 0 k ，则储有1 2 0 0 1 5 0 0 l 液氦的超导线圈杜瓦的蒸发率，有可能低于 0 5 加1 l 恤，使补充液氦的周期延长到近一年。如果采用4 k 级g m 制冷机再冷 凝系统，有可能实现液氦的零损耗。 用来冷却超导磁体的低温制冷机主要有g m 制冷机和脉管制冷机。目前， g m 制冷机冷却的超导磁体系统已经商品化【】，脉管制冷机冷却的超导磁体系 统已有报道【5 】。由于g m 制冷机冷腔中存在运动部件，造成振动大、可靠性差等 突出问题，并且由于密封材料的磨损缩短了其不维修运行的时间，通常一年需要 检修一次。另外，磁性蓄冷材料在磁场中受到力的作用，可能会使排出器和气缸 变形，引起磨损和密封等诸多问题，影响其耐久性。而且g m 制冷机在磁场中 活塞驱动电机的转动力矩减小，会造成转动不良等问题【6 】。这些问题已成为g m 制冷机在许多应用领域进一步发展的障碍，大大限制了其应用前景。脉管制冷机 从根本上消除了排出器，冷端没有运动部件，有望解决低温制冷机存在的振动和 可靠性问题。脉管制冷机具有很多突出优点：结构简单；布置方式灵活，便于实 现紧凑结构；低振动、低噪声；电磁干扰低，受磁场影响小；性能可靠、使用寿 命长、不维修运行时间长等。经过近十多年的努力，现在的脉管制冷机性能与传 统g m 制冷机已日趋接近，是替代传统g m 制冷机较为理想的一种机型。 1 2 制冷机冷却超导磁体系统的发展状况 1 9 8 3 年，m o h o e n i g 提出了用小型制冷机直接冷却超导磁体的构想，并对 磁体系统进行了概念设计l ”。但由于当时g m 制冷机性能有限，且铜电流引线的 漏热较大，未能走向应用。目前，小型制冷机技术发展迅速，在制冷量和制冷效 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 率方面都取得了长足的进步，现在商用的g m 制冷机，已有在4 k 提供1 5 w 制 冷量同时在4 0 k 还有4 0 w 冷量的机型 钔。随着小型低温制冷技术的进步和高温 超导材料的出现，制冷机冷却超导磁体系统得到了快速发展，己从实验研究阶段 向商品化方向发展。目前，制冷机冷却超导磁体系统的生产厂家主要有英国的 c r y o g e n i cl i m i t e d 公司、日本神户制钢之子公司 m t 、英国的牛津仪器 ( o x f o r dl n s t r u m d a t s ) 、美国c r y o m a g n c t i c s 公司、美国磁学公司( a m e r i c a n m a g n e t i c s ) 、美国超导公司( a m e l - i c a ns u p e r c o n d u c t o rc o r p o r a t i o n ) 等等。 日本在制冷机冷却超导磁体方面的研究起步很早。1 9 9 0 年，日本n i p p o n 大 学的科研工作者进行了小型制冷机直接冷却n b 3 s n 超导磁体的研究【9 】。系统由 g m 制冷机来驱动，仍然用铜导线做电流引线，未能实现在1 0 0 2 0 0 a 工作电流 下稳定运行的实用化超导磁体系统。1 9 9 3 年，日本t o h o k u 大学首先研制成用 h t s 材料作电流引线的制冷机直接冷却的超导磁体系统 1 0 , 1 1 l ，它首次向人们证明 制冷机直接冷却超导磁体系统可以使用大的工作电流。随后日本住友、东芝等公 司和各研究机构对传导方式冷却的超导磁体系统进行了大量的实用研究1 2 2 6 1 ，高 场强、大室温孔的超导磁体系统不断出现，并且磁体可沿任意方向放置。 尽管美国的气体工业发达，液氦价格较为便宜。但制冷机直接冷却超导磁体 系统依然得到了快速发展。制冷机直接冷却超导磁体系统己成功应用于民用和军 用装置1 2 7 - 2 9 1 ，如医疗方面的m r i 系统。 1 9 9 6 年英国公司研制的超导磁体系统是第一台完全工业应用上的制冷机冷 却的磁体系统【4 1 。目前，英国公司生产的制冷机直接传导冷却的超导磁体系统可 产生高达1 7 t 的场强，制冷机再冷凝方式冷却的超导磁体系统也可产生高达1 6 t 的场强。 我国在制冷机直接冷却超导磁体方面的研究起步较晚，还处于实验阶段。 1 9 9 9 年，中科院电工研究所研制成我国第一套g m 制冷机直接冷却的n b t i 超导 磁体系统川，磁体设计在9 8 1 5 a 的工作电流下产生5 t 的场强，采用铜和高温 超导材料制作的二元电流引线输送电流。此后，中科院电工所又成功研制了6 t n b t i 传导冷却超导磁体系统，工作电流为1 1 5 a ，仍采用二级g m 制冷机冷却p ”。 另外，华中科技大学也对制冷机直接冷却高温超导磁体进行了实验研究【3 2 】。 以上都是使用g m 制冷机冷却，随着脉管制冷机技术的进展，出现了脉管 制冷机冷却超导磁体系统的报道。1 9 9 8 年德国吉森大学应用物理研究所研制了 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 一台小型的脉管制冷机冷却超导磁体系统【5 l ，磁体材料是n b 3 s n ，最大工作电流 1 2 0 a ，产生2 8 t 的场强。2 0 0 1 年，美国报道了一台脉管制冷机冷却n b t i 超导 磁体系统【3 3 】，磁体设计在液氦温度( 4 2 k ) 加载电流4 5 a 下产生卯的中心场强， 此系统被认为是第一次用脉管制冷机直接冷却超导磁体的商业应用。2 0 0 4 年德 国吉森大学再次研制了一台脉管制冷机冷却n b t i 超导磁体系统【3 4 】，电流成功加 载到3 5 0 a ，中心场强达到5 5 t 。 1 3 电流引线国内外研究现状 应用在低温超导磁体系统中的电流引线主要有两种：一种是常规电流引线， 使用的主要材料是铜；一种是二元电流引线，即使用f i t s 电流引线取代常规电 流引线的低温段。 1 3 1 电流引线的运行特点 电流引线作为连接室温电源与低温超导磁体的部件，温度跨越范围大，是低 温系统的主要静态热负荷之一。为减少通过电流引线对低温环境的漏热，需要对 电流引线进行冷却，冷却方式主要有两种：一种是气体对流冷却，包括蒸汽冷却 ( v a p o r - c o o l e a ) 和气体冷却( g a s c o o l e d ) ；一种是传导冷却方式。蒸汽冷却也叫浴冷 ( b a t h c o o l e d ) ，是将电流引线一端浸泡在液氦池中，磁体的超导线与电流引线在 液氦池中连接，电流引线靠冷端漏热蒸发的氦气自然对流冷却。气体冷却也叫强 迫冷却( f o r c e - c o o l e d ) ，是低温气体有两端压差强迫对流冷却，流量通过热端阀门 来调节p 5 1 。气体对流冷却广泛应用在大型超导磁体系统中，而传导冷却方式主 要应用在制冷机冷却小型超导磁体系统中，用制冷机直接冷却电流引线”6 1 。图 1 1 给出了几种可以选择的电流引线冷却结构的概念设计，这些设计实质是传导 冷却和蒸汽冷却的单独或者结合使用，每一结构中，底部温度为4 2 k ，上部为 环境温度 3 0 , 3 7 。h t s 电流引线的最底部浸泡在液氦中或者将其延长到液氦中，也 可以由液氦温区的低温制冷机提供冷量。 设计l 最简单的传导冷却型铜高温超导体二元电流引线，这种冷却结构仅 靠引线两端的温差传导冷却，所有的热负荷均从低温端消除。这就使得低温端热 负荷很大，加快了液氦挥发，挥发后的低温氦气直接排出系统；若使用低温制冷 机冷却低温端，受制冷机性能限制，很难满足这种冷却结构的要求。所以，实际 的超导磁体系统中很少使用这一结构。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 设计2 是蒸汽冷却的二元电流引线，即只考虑从电流引线来的漏热蒸发产生 冷却引线的氦气流。这一冷却结构通常应用在液氦浸泡冷却的大型超导磁体系统 中，运行安全性高。 设计3 是传导冷却的二元电流引线，使用制冷机直接冷却电流引线，制冷机 一级冷头提供截点温度。这种结构通常在制冷枫冷却的小型低温超导磁体中使 用，由于不使用氦气或氮气冷却，结构简单，但制冷机的性能对系统能否正常运 行起着决定作用。 设计4 是通过氦气对流冷却电流引线，接头处由制冷机冷却。这一冷却结构 可以在再冷凝式超导磁体系统中使用，减少液氦蒸发，延长液氦补充时间。 设计5 、6 和7 中使铜引线低温端浸泡在液氮浴中，利用蒸发的氮气冷却铜 引线，而低温段的h t s 电流引线则可以使用传导或者对流方式冷却。这些结构 中，使用成本便宜的液氮冷却热负荷更大的铜引线，减少了液氦的消耗。 c c c c 臣刁铜电流引线囹胛s 电流引线制冷机冷头 二二 液氮浴c c = 传导冷却 v c = 蒸汽冷却 图1 1 电流引线的几种冷却结构 1 3 2 电流引线的研究现状 最初，受低温制冷机性能的限制，没有用其冷却超导磁体及电流引线，所以 在h t s 电流引线使用之前，对电流引线的研究主要集中在气体对流冷却的铜引 线上。1 9 6 9 年，j m l o c k 在理想换热的假设下提出了优化后电流引线一般性能 3 8 1 。随后，在假设常换热效率和w i e d e m a n n f r a n z 定律成立下，通过变量变换发 展起一些优化电流引线的理论方法f 3 1 1 。基于一维假设的数值求解方法是对理 论求解的补充，它考虑了不符合w i e d e m a n n f r a n z 定律的变物性影响，从而有更 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 高的精度【4 2 4 3 1 。k m a e h a t a 等在数值优化过程中，利用了一种通用的计算不同紫 铜r r r 值电阻率和热导率的拟合计算公式，并认为应该用有效l o r e n t z 系数代替 w i e d e m a n n - f r a n z 定律中的常l o r e n t z 系数以提高精度 4 4 1 。文献4 3 】中假设微元内 电流引线温差不变，从而将控制方程简化为微分方程并求解得到微元内的理论温 度分布，再用数值方法求解各微元的温度得到整根引线的温度曲线。 为了增加电流引线与冷却气体之间的换热，可以采用增加换热面积和增加流 体速度的方法，这是气体对流冷却电流引线结构设计的基本出发点。国外对电流 引线的研究起步较早，出现了几种典型的结构，如：单通道结构，螺纹结构，翅 片结构，孔板式结构，多通道结构以及变截面结构等旧。 i - i t s 材料发现以后，人们很快就意识到可以使用h t s 材料代替常规电流引 线的低温段。在过去的近二十年的时间里，h t s 电流引线成为研究的热点，很 多研究均成功的证明，使用h t s 材料代替常规电流引线的低温段可以大大减少 电流引线的漏热。常用来做电流引线的h t s 材料是y b c o 材料、b i 2 2 1 2 材料 和b i - 2 2 2 3 材料等几种。1 9 8 8 年，e j m u m f o r d t 4 5 提出在常规电流引线低温段采 用h t s 材料，并计算了这种新型电流引线的漏热，漏热量仅为相同尺寸和运行 电流的铜引线的六分之一。b d o r r i 4 6 】等人通过实验测量了传导冷却的h t s 电流 引线的漏热，两端温度分别为3 9 k 和9 k ，运行电流1 5 0 a 时的漏热量比理论优 化的常规电流引线的漏热量减少八倍。j l - w u 【4 7 1 等人制成能够输送2 k a 电流的 蒸汽冷却h t s 电流引线，并通过实验证明最佳运行电流是1 7 1 8 k a ，与常规电 流引线相比，漏热减少近4 0 。日本的i c m a e h a t a 等人通过引入一通用冷却变量 提出一种气体冷却高温超导电流引线设计的数值方法【4 引。h o - m y u n gc h a n g 和 s t e v e nw v a ns e i v e r 介绍了一种对传导冷却的h t s 电流引线的理论优化设计方 法【3 ”。e h a n z e l k a 在设计和数值模拟真空中h t s 电流引线温度分布时考虑了辐 射和传感数据线漏热等的影响【4 9 1 。 国内超导磁体的应用起步较晚，但发展迅速。对电流引线的研究，不管是常 规金属电流引线还是h t s 电流引线，均取得了不少成果。中科院电工所吴千红 等论述了电流引线的各种结构形式、运行方式以及引线设计中的若干问题i 卯】。 中科院等离子体研究所的康志成等在假设换热效率的基础上，将电流引线分为很 少的几段，提出了一种较为精确的计算电流引线长横比及冷端漏热的计算方法 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 s l j o 并从传热学的特征关联式出发，进一步推导出电流引线横截面的计算方法， 且以黄铜为例计算了电流引线的结构尺寸【5 2 j 3 1 。华中科技大学的程德威等人对制 冷机直接冷却的超导二元电流引线的研究比较多，比如用微分结构传热的观点分 析了电流引线中h t s 材料与金属常规部分的接触热阻和电阻【5 4 矧；对制冷机直 接冷却的二元电流引线的传热情况进行理论建模和数值计算，确定制冷机的最小 功率和热力最优的热截流温度点工况，并对影响制冷机最小功耗的各种因素进行 讨论f 5 6 】；用有限时间热力学最小熵产率的方法对连续冷却的电流引线进行优化， 比较了高温超导电流引线连续冷却和冷端冷却两种方式【5 7 1 。随着国内超导磁体 在实际应用中的发展，电流引线也逐渐应用在实际工程中。1 9 9 9 年，中科院电 工所研制的制冷机直接冷却的n b t i 超导磁体系统中采用了由铜和国产b i 2 2 2 3 材料制成的二元电流引线0 0 1 ；中国科学院等离子体物理研究所建造的大型超导 托卡马克核聚变试验装置( e a s t ) 中，设计了一对1 6 k a 和1 2 对1 5 k a 的二元 电流引线【5 8 l ；北京正负电子对撞机重大改造工程( b e p c i i ) 中，设计了6 对电 流引线，输送4 种不同大小的电流f 3 5 】。核工业西南物理研究所设计了1 条用于 工作在液氮温区的超导储能装置和低温超导储能装置的h t s 电流引线5 9 】。 1 4 脉管制冷机的发展历史及研究现状 1 4 1 单级脉管制冷机 1 9 6 3 年，美国的g i f f o r d 和l o n g s w o r t h 等利用气体对一端封闭的薄壁空管进 行周期性压力振荡所产生的制冷效应发明了脉管制冷机，称为基本型脉管制冷机 6 0 h ，如图1 2 所示。当时所得到的单级制冷机最低制冷温度为1 2 4 k ，两级制 冷机为7 9 k 。1 9 8 4 年，前苏联的m i k u l i n 等人【6 2 】对基本型脉管制冷机的热端做出 了重大革新，引入了一个气库，并在热端换热器和脉管之间设置了节流小孔，形 成t 4 , 孔型脉管制冷机。采用空气作工质，达到的最低制冷温度是1 0 5 k ，后来 采用氦气获得了6 4 k 的低温。这被看作是脉管制冷机发展史上的一个里程碑。 热热雌b 虻h 船曰。啪h 强 图1 2 基本型脉管制冷机结构简图 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 小孔型脉管制冷机 国1 4 双向进气型脉管制冷机 1 9 8 6 年，美国学者r a d e b a u g h 等对m i k u l i n 的方案进行了改进，将小孔从脉管 与热端换热器之间移到气库与热端换热器之问，并用针阀代替了节流小孔 6 3 1 ， 如图1 3 所示。从而通过可调节的针形阀十分方便地调节进出气库的气量，以实 现对制冷机性能的优化。他们采用该结构以氦气为工质，达到无负荷最低制冷温 度6 0 k 。1 9 8 9 年，中科院低温中心梁惊涛等对蓄冷器进行强化，研制的小孔型脉 管制冷机的最低制冷温度达至i j 4 9 k ，在7 7 k 时有1 2 w 的制冷量1 6 4 1 。1 9 9 0 年朱绍伟 和吴沛宜等人在理论分析的基础上，提出一种新型脉管制冷机，如图1 4 ，称为 双向迸气型脉管制冷机 6 5 1 。它在小孔的基础上，用一个气体分配器连接脉管热 端和回热器热端。该方案获得t 4 2 k 的最低制冷温度，随后法国的r a v a x 6 6 采用 同样的结构达n 2 8 k 最低制冷温度。如今，世界各国的脉管制冷机不论在单级还 是多级结构中都广泛采用这一方案。由于双向迸气型脉管制冷机的回热器、脉管 和第二进气闭合回路中存在直流流动，其冷头温度会在几分钟或更长时间周期内 保持一定程度的波动。蒋彦龙等利用流体网络法，对直流机理进行研究分析，提 出了利用流阻元件和局部阻力损失来实现直流的抑制1 6 7 1 ，并在德国吉森大学采 用双阀双向进气结构抑制直流作用，在单级脉管制冷机上获得1 4 7 k 的最低制冷 温度，在c p 4 0 0 0 压缩机驱动下，在3 0 k 的制冷量达到2 9 5 w 岬1 。目前，采用该结 构的单级脉管制冷机最低制冷温度达n 1 1 1 k 1 6 9 j 。 1 4 2 液氦温区脉管制冷机 目前单级脉管制冷机的最低制冷温度已达到1 1 1 k 。但用单级制冷机从室温 直接降低到液氦温区还存在很大的困难。为获得更低的制冷温度，使脉管制冷机 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 满足不同温区的应用需要，可以采用多级脉管制冷方案。多级脉管制冷机是获得 液氦温区低温的有效方法，脉管制冷机冷端无运动部件，不存在机械运动的耦合， 易于进行多级布置。而磁性蓄冷材料 7 0 1 的出现则为回热式低温制冷机达到液氦 温区提供了可能。目前，多级脉管制冷机主要有两种布置方式：传统耦合型和分 离型。耦合型又分为两种形式：一种是各级的回热器串连而脉管并联，这样脉管 热端均处于室温，如图1 6 ( a ) 是耦合型二级脉管制冷机；一种是各级的回热器和 脉管均采用串连的方式。分离型是各级的回热器和脉管均是并联的，对于分离型 二级脉管制冷机，如图1 6 0 ) 所示，第一级和第二级回热器和脉管均分离，第一 级回热器冷端与第二级回热器中部通过热桥连接，依靠固体导热达到预冷第二级 气体的目的。如除去热桥，分离型二级脉管制冷机可以看作两台相互独立的单级 脉管制冷机。耦合型结构简单、紧凑，因此绝大多数研究都集中在耦合型脉管制 冷机上，而耦合型制冷机由于两级间气体流动与传热存在复杂的耦合关系，难以 实现两级性能的优化。分离型脉管制冷机中，两级分别拥有独立的气体回路，可 采用不同的工作频率、压力、气体等，弥补了级间干扰不足。 啪台盘韵分嵩墨 图1 5 两种脉管制冷机的布置方式示意图川 1 第一级回热器；2 第一级脉管；3 第二级回热器；4 第二级脉管；5 热桥；6 第一级小孔阀；7 第一级职向进气 阀；8 第二级小孔阀；9 第二级双向进气阀；1 0 第一级气库；1 1 第二级气库；1 2 平面旋转阀；】3 压缩机 1 9 6 7 年，g i f f o r d 和l o n g s w o r t h 就开始对多级脉管制冷机进行实验研究，他 们采用二级和四级基本型脉管制冷机【7 2 1 ，分别获得了7 9 k 和3 2 k 的低温。1 9 8 8 年中科院低温中心周远等人m 1 、1 9 9 0 年美国t w a r d 等7 4 墚用两级脉管制冷机， 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 分别获得3 1 k 和2 6 k 的制冷温度。但由于当时对多级脉管的结构布置方式和在 低温下具有高热容的磁性蓄冷材料的研究不足，离液氦温度还有很大距离。 1 9 9 3 年，日本m a t s u b a r a 和浙江大学访问学者高金林，采用各级脉管的热端 均处于室温而回热器串联的二级脉管制冷机获得1 7 k 的低温。同年，他们采用 二级g m 制冷机预冷，第三级采用脉管结构，获得3 5 k 的低温【7 5 1 。1 9 9 6