（制冷及低温工程专业论文）脉管制冷机冷却小型超导磁体系统的方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 脉管制冷机冷却小型超导磁体 系统的方法研究1 张振华 浙江大学制冷与低温研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 制冷机冷却超导磁体系统取代液氦冷却超导磁体系统已成为小型超导磁体 系统发展的一个必然趋势。但是制冷机直接冷却也存在一些问题，突出表现在磁 体降温时间过长。本文磁体系统采用再冷凝方式冷却超导磁体，降温时利用脉管 制冷机在4 2 k 具有0 6 w 的制冷量液化氦气，稳定运行时蒸发的氦气通过杜瓦 法兰上的翅片换热液化，以达到系统液氦的零挥发。为了加快系统冷却速率，本 文对直接冷却、热开关预冷和液氮预冷三种降温方式进行了系统研究，对这些方 式进行理论计算和比较，给出了最优方案。具体研究工作如下： i ) 对脉管制冷机冷却超导磁体系统进行了介绍。本系统采用液氦浸泡冷却 超导磁体，并利用制冷机冷量再冷凝蒸发氦气达到液氦的零损耗。 2 ) 详细计算了系统中各部分漏热。计算了制冷机直接冷却超导磁体系统的 降温时间。 3 ) 对熟开关的换热性能进行了分析和计算。建立了气隙式热开关的数学模 型，计算得到了热开关的长度、翅片长度、翅片厚度和气隙宽度与热导 率的关系曲线。分析对比了两种不同结构形式热开关的性能优劣，最后 对两种热开关的冷却速率做了计算对比。 4 ) 计算了液氮预冷超导磁体系统的降温时间。利用液氮的汽化潜热可以迅 速将系统冷却到7 7 k ，然后利用制冷机冷量将磁体系统冷却到4 2 k 。 5 ) 对直接冷却、采用热开关冷却和液氮预冷几种方式进行了分析和比较， 采用液氮预冷方式。 关键词：脉管制冷机，超导磁体，降温速率，热开关 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 a b s t r a c t r e s e a r c ho nc o o l - d o w nm e t h o d so fs m a l ls 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 yp u l s et u b ec o o l e r z h a n gz h e n h u a i n s t i t u t eo f r e f r i g e r a t i o na n d c r y o g e n i c se n g i n e e r i n g , 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 a c r y c o c o o l e rc o o l e ds u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e mw i l lg r a d u a l l yr e p l a c e c o n v e n t i o n a ls u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e mc o o l e db yl i q u i dh e l i u m h o w e v e r , o n e o ft h ei m p o r t a n tp r o b l e m sf o rt h en e ws y s t e mi st h a tt h ec o o l d o w np r o c e s sl a s t st o o l o n g f o ro u rs y s t e m , t h em a g n e ti si m m e r g e di nad o w e ra n dt h eu p p e rs u r f a c eo f t h e d e w e ri st h e r m a l l ya n c h o r e dt ot h es e c o n dc o l de n do fat w o - s t a g ep u l s et u b ec o o l e r 晰t hc o o l i n gp o w e ro fo 6 wa t4 2 k d u r i n gt h ec o o l - d o w np r o c e s s ，h e l i u mg a si s f i r s tl i q u e f i e db yt h ep u l s et u b ec o o l e ra n df i l l e di n t ot h ed e w e r o ns t e a d ys t a t e t h e e v a p o r a t e dh e l i u mg a si sr e - l i q u e f i e db yc o n v e c t i o n a lh e a tt r a n s f e rw i t hf i n ss o l d e r e d t ot h eu p p e r 羽耐a c et h ed e w a r i no r d e rt oa c c e l e r a t et h ec o o ld o w np r o c e s s t w o m e t h o d s u s i n ga t h e r m a ls w i t c ho fl i q u i dn i t r o g e n , a r ei n v e s t i g a t e da n d c o m p a r e di n d e t a i l n 垃c o r r e s p o n d i n gw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 ) c r y o g e n i cs y s t e mf o ras u p e r c o n d u c t i n gm a g n e tc o o l e db yat w o - s t a g ep u l s e t u b ec o o l e ri si n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a g n e ts y s t e mi si m m e r g e dt ol i q u i d h e l i u m ，a n dt h ee v a p o r a t e dh e l i u mg a si sr e c o n d e n s e db yt h ep u l s et u b e c o o l e r 2 ) ad e t a i l e dh e a tl o a da n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ni sp r e s e n t e df o re a c hs t a g eo f t h e p u l s et u b ec o o l e r n 坞c o o l d o w nt i m ew i t h o u ta n ya c c e s s o r i a lf a c i l i t i e si s o b t a i n e d 3 、p e r f o r m a n c eo ft w ok i n d so fg a s - g a pt h e r m a ls w i t c h e si si n v e s t i g a t e da n d c o m p a r e d an u m e r i c a la n a l y s i sm o d e l i se s t a b l i s h e dt or e s e a r c ho nt h ee f f e c t s o fl e n g t h ，l e n g t ho ff r o , t h i c k n e s so ff i n , g a sc l e a r a n c eb e t w e e nf i n s0 1 1t h e p e r f o r m a n c eo f t h es w i t c h e s 1 1 圮c o o l - d o w nr a t eo f t h es y s t e mw i t ht h e s et w o s w i t c h e si sp r e s e n t e d ，r e s p e c t i v e l y 4 11 1 壕s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e mp r e - c o o l e db yt h el i q u i dn i t r o g e ni s a n a l y z e d t h em a g n e ts y s t e mi sf i r s tc o o l e dd o w nt o7 b yv a p o r i z i n gt h e l i q u i dn i t r o g e n , a n dt h e ni ti sc o o l e dd o w n t o4 2 kb yt h ep u l s et u b ec o o l e r 5 1t h ei m p r o v e dc o o l - d o w np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mw i t ht h ep r e c o o l e d m e t h o d s ：b yt h e r m a ls w i t c ha n db yl i q u i dn i t r o g e n , i sc o m p a r e d , a n dl i q u i d n i t r o g e ni sf i n a l l ya d o p t e d 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 , c o o l - d o w n ，t h e r m a l s w i t c h 浙江大学硕士学位论文符号表 符号表 英文字母 a 热适应系数 彳面积 流体定压比热 c ， 乞 流体定容比热 d直径 f 摩擦因子 h对流换热系数，高度 足 表观热导率 k n 克努森数 工 长度 t 气体分子平均自由程 m 质量 廊 质量流率 p医力 g 热流密度 q 热流 ， 汽化潜热 r接触熟阻，气体常数 r e雷诺数 r绝对温度 虿 平均速度 矿 体积 形 功 z基准面高程 h i 希腊字母 r a p v s p f 盯 艿 上，下标 l 2 a l b c d e 积 月z l o a d 埘 胄 s a t 护f 泊松比 导热系数 动力粘滞系数 运动粘滞系数 发射率 密度 时间 黑体辐射常数 厚度 一次量 二次量 铝 沸点 冷端，临界值 杜瓦 有效制冷量 热端 漏热 冷重 平均量 制冷量 饱和状态 三相点 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，除了文中特别加以杯注和致谢的地方外，论文中不包含其 它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其它教育机 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 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 撇躲哪黼瓤碱钼7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿态鲎有关保留、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。本人授权迸鎏盘堂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) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩繇卯知风翩签名：歹f 7 勿风 签字日期：年月日 电话： 邮编： ( 入j珍 日 了 才 月 够6 孙 锌 堑 哪 者 作 ： 文 期 沧 日 位 字 学 签 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 本章首先介绍了研究课题的学科背景，接着回顾了制冷机冷却超导磁体系 统的发展历史和研究现状，然后对加快冷却超导磁体系统的现有方法和应用情 况作了介绍，指出本课题的研究意义最后简要介绍了全文的主要工作内容。 1 1 课题研究背景 在超导技术应用领域，低温超导磁体系统在许多方面得到广泛的应用。生 物医学中的应用包括超导核磁共振成像装置( m r i ) 和核磁共振谱仪0 4 m r ) 等。科学工程中的应用包括高能加速器和核聚交装置等。另一重要应用是超导 储能装置，一般由超导线圈、低温容器、制冷装置、交流装置和测控系统几个 部件组成。在这些应用中，低温超导磁体系统是装置不可缺少的关键部件【1 2 j 。 低温超导磁体系统是一涉及低温超导技术、低温制冷技术、低温容器及自 动控制技术等多学科的综合系统，在实际应用中面临着许多技术问题的困扰。 其中，为了保持磁体的稳定性，大多采用液氦浸泡冷却超导磁体、液氮冷却辐 射屏。这样使得超导磁体系统的结构复杂，操作不便，而且在无液氦或难于获 得液氦的地区，使用超导技术就更加困难。而制冷机冷却超导磁体系统可以大 大简化系统的复杂性，降低系统操作难度和运行费用，提高低温超导磁体系统 的实用化程度，因此成为国内外研究发展的方向【3 】 到目前为止，国内制冷机直接冷却超导磁体系统还没有发展成熟，很多工 作都处于摸索和总结阶段，离产品的商品化阶段还需一段时间。脉管制冷机由 于其自身优点逐渐受至越来越多的重视，在很多领域已取代其他低温制冷机。 另外，我们的脉管制冷机实验和研究工作走在国际的前列，已取得了很好成绩， 脉管制冷机由实验走向应用已是迫不及待的事情。 因此，利用脉管制冷机冷却超导磁体对我们来说意义是非常重大的。不但 是对我们脉管制冷机实验工作的一个考验，其应用过程还将积累一定的经验， 对国内脉管制冷机的应用发展起到借鉴和推动作用。 但是，制冷机直接冷却超导磁体系统也存在一些问题，突出表现在初始冷 却时间过长。传统的液氦浸泡冷却利用汽化潜热和显热可以很快带走磁体系统 热量，迅速将系统冷却到正常工作状态；而在制冷机传导冷却的实际过程中， 由于电流引线漏热和磁体支撑结构以及制冷量的限制等因素，需要很长时间才 能将磁体系统冷却下来。如一台具有1 0 0 m m 温孔的1 0 t 磁体的预冷时间长达 7 0 小时1 4 j ，对需要能快速进行试验的研究者造成了很大的麻烦，妨碍了制冷机 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 直接冷却超导磁体系统的发展。 因此，为了适应低温超导磁体系统发展的需要，推动国内制冷机冷却超导 磁体的应用，加快冷却超导磁体速率已成为一个非常重要的研究目标。另外， 鉴于我们课题的特殊性，脉管制冷机和超导磁体已确定，选择一个合适的加速 冷却方案是十分必要的。所以，本文将对加速冷却超导磁体方法进行系统的分 析和研究，为我们的实验系统选择一个最优的实现方案。 1 2 制冷机直接冷却超导磁体系统发展历史和研究现状 1 9 8 3 年，m o h o e n i g 就提出了小型制冷机直接冷却超导磁体的构想，并 对超导磁体系统进行了概念设计【5 】。但在当时的技术发展和水平条件下，要实 现这一设想是非常困难的。当时的小型g m 制冷机在有一定的靠4 冷量下，冷 头温度大约有1 0 k ，超导磁体材料只能使用n l ，3 s n 。由于没有冷氦气可使用， 电流引线冷却只能采用传导冷却，造成铜电流引线漏热过大根据分析计算， 工作在4 0 k 与4 2 k 之间的无气体冷却的纯铜电流引线的优化设计热流约为 6 2 m w a 。对于二级制冷量只有0 5 1 0 w 左右的小型制冷机来说，电流引线 漏热将消耗很大制冷量。因此，磁体工作电流将被限制在几十安培左右，限制 t 4 , 型制冷机冷却超导磁体的使用范卧酬。 随后，许多国家都对制冷机直接冷却的低温超导磁体系统进行了深入研究。 目前技术较为成熟的有英国的牛津仪器公司( o x f o r di n s t r u m e n t s ) 、美国的 c r y o m a g n e t i c s 公司和日本的神户制钢之子、东芝等公司。 1 9 9 0 年，日本的t w e n t e 和n i p p o n 大学对小型制冷机直接冷却的n b 3 s n 超 导磁体进行了研究。系统采用纯铜作电流引线，由于铜电流引线的漏热和大电 流下的焦耳热，没有实现在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 4 年，东芝公司研制成功世界上第一台具有室温孔的制冷机直接冷却的 低温超导磁体系统，获得了6 t 的中心磁场强度【7 聊，该系统室温孔直径1 8 0 m m 。 制冷机选用4 k 级g m 型制冷机，b i 2 2 1 2 电流引线的内径为5 m m ，长度为 5 0 m m 。运行电流为1 2 8 a 时，线圈的室温孔中心区域产生6 t 的磁场。当加载 电流为1 3 8 a 时，在室温孔中心区域产生6 a 5 t 的磁场。在导体内产生的最大 磁场为7 3 2 t ，线圈的电流密度为2 3 3 a m m 2 次年，东芝公司试制了n b f i 和n b 3 s n 组合超导磁体，获得了1 0 t 的中心 磁场强度 9 - 1 1 l ，其室温孔径为1 0 0 m m 。结构示意图如图1 1 所示。制冷机选用 一台4 k 级g - m 型制冷机冷却超导磁体，二级制冷量为0 5 w 4 2 k 。另一台 用铅丸作蓄冷器填料的二级g - m 型制冷机分别冷却8 0 k 和2 0 k 的热辐射屏。 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 9 9 6 年，英国牛津仪器公司给香港大学提供了商品化的制冷机冷却的低温 超导磁体系统，该系统是由n b t i 和n b 3 s n 组合的超导磁体，在4 2 k 下试运行 到1 0 t 。正常运行工作电流为1 2 0 a ，中心磁场强度为9 t 。 同年，美国海军将制冷机直接冷却的超导磁体系统用于扫雷装置【1 2 4 1 。 1 9 9 8 年，住友公司报道了他们研制的制冷机冷却的1 5 t 磁体系统【1 5 6 1 。采 用两台4 k 级g m 型制冷机冷却。其室温孔径为5 2 r n m ，由四个n b 3 s n 线圈和 一个n b n 线圈组成，用了两对高温超导电流引线。 虽然低温超导材料已达到了在小型制冷机冷却超导磁体系统中的应用要 求，但必须在液氦温区下才能维持超导状态。所以，人们在应用低温超导材料 的时候就开始探索高温超导材料，希望能找到一种导电好而导热差的材料来代 替低温超导材料。 图1 11 0 t 1 0 0 m mg - m 制冷机直接冷却的超导磁体系统 1 9 8 6 年，瑞士苏黎世实验室贝德诺慈( j gb e d n o r z ) 和谬勒( k a m u l l e r ) 发现了l a b a c u o 的超导体( 临界温度3 0 k ) ，为高温超导研究揭开新的一页。 到目前为止，已经发现了一系列新型高温超导材料，其中在液氮温区可能投入 应用的主要有y 系、b i 系、1 1 系和r i g 系四个系列。 目前发现的高温超导材料，在液氮温度下的电流密度还不高，而且随着磁 场的增加而迅速降低。不过实验表明，高温超导材料在低于2 0 k 的强磁场下仍 可以通过很高的电流，这是高温超导材料与低温超导材料相比的优点【1 7 - 2 0 1 。因 此，在现有的制冷机条件下，采用制冷机直接冷却高温超导磁体仍是首选技术 措施。 用来冷却超导磁体系统的小型制冷机主要有g - m 型制冷机和脉管制冷机。 3 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 g m 制冷机由于发展较早，技术比较成熟，现在商用的g m 制冷机二级冷头 已可提供：s w 4 9 的制冷量，同时一级冷头还有4 0 w 4 0 k 的制冷量【2 l l 。 商业g - m 制冷机被广泛的应用于各类低温系统中，很早就开展了用g - m 制冷 机直接液化氦气的研究伫2 】。g m 制冷机利用低温下的位移器来调节流量与压力 的相位，虽然提高了制冷效率，但由于位移器的存在使得g m 制冷机冷头有 较大的机械振动。因此，为避免振动对磁体的影响，就必须通过软连接来冷却 磁体，这样冷头离开磁体一定的距离，增大了装置的尺寸鲫。同时，冷端位移 器限制了g m 制冷机的寿命，一般为1 0 0 0 0 小时左右，还可能对临近的磁场 梯度产生影响。以上不足限制了g - m 制冷机的进一步应用。脉管制冷机低温 端无运动部件，具有高可靠性、结构简单、低振动、受磁场影响小等优点，其 应用前景非常广阔，相比于g - m 制冷机脉管寿命延长一倍，其二级冷头振动 小于1 5 1 0 4 9 “1 。同时，脉管制冷机不会象g - m 制冷机的冷端位移器那样产 生对磁场梯度的干扰瞵】。最近，随着新型蓄冷磁性材料的发现以及调相机理的 改进，使得脉管制冷机性能已经接近甚至超过g - m 制冷机，在很多应用领域 逐渐代替g - m 制冷机。浙江大学制冷与低温研究所是国内较早开展脉管制冷 机研制的单位之一，在单级脉管制冷机方面邱利民老师带领的实验小组已获得 了1 1 i k 的最低温度，双级最低温度达到2 3 k ，处于国际先进行列。在脉管制 冷机的应用研究方面，研究者很早就对脉管制冷机直接液化氦气进行了尝试 闭。通过回热器预冷，从室温用脉管制冷机直接液化氦气已经取得了每天4 8 l 的水平阿。 表1 1 对近年来文献报道的一些制冷机冷却超导磁体系统进行了整理【2 羽。 表1 1 制冷机冷却的低温超导磁体的研究情况 室温孔径， 报道 制冷帆类型及 线圈内经 中心场强f r y 导线类型用途研制单位 工作电流( a ) 年份数目 ( n l m ) 美国、加拿大 9 6 0 ， o 5 ，6 5 n b 3 s n恻 g e 1 9 9 52 台o m 机 美国多家单位联 ，l 柏44 弱1 4 7m 扫雷系统 1 9 9 6 2 台西m 机4 k ) 合 o 5 1 5 8n b n删g e1 9 9 8g - m 机 加拿大v i c t o r i a 大 2 0 3 2 5 3 2 5 ，1 籽n b n 2 0 l 台g - m 机 学 先进激光 5 能9 ln 哳 美国l b l 实验室 2 i 光源系统 4 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 续前表 离子回旋 3 2 5 7 3粤5 | 蚋5n 师 共振项目c r y o m a g n e t i c s 2 l 脉管制冷机 预研 欧洲 中问试验 7 5 蝴n 嘶 磁分离装牛津仪器公司1 9 9 6 1 台g - m 机 置 n b s n 9 1 2 0商品牛津仪器公司1 9 9 6 n 娟 ，7 32 8 1 2 0 n b 3 s n德国吉森大学 1 9 9 3 脉管制冷机 2 “ l “商品牛津仪器公司2 0 0 2 1 台g - m 机 3 0 ，l o 1 2 0 商品牛津仪器公司2 0 0 2 5 2 ，5 ，3 5 n b n般用途德国吉森大学2 0 0 4 脉管制冷机 中国 中科院电工研究 3 n ，6 0s ，9 8 2n 嘶 般用途1 9 9 9 1 台o - m 机 所 l o 叫“1 1 5啪 一般用途中国科学院2 0 0 4 l 台g _ m 机 日本 2 台g - m 机( 4 l ( ， 1 8 0 2 1 56 ，1 2 8n 娟一般用途东芝公司1 9 9 4 2 0 k ) n b s n ，2 台g - m 机( 4 k l ，1 3 l1 0 ，1 3 0一般用途 东芝公司 1 9 粥 n b n2 0 k ) o 毗m h s n ， 5 2 ，1 0 7 1 4 8 一般用途住友重工 1 9 9 6 2 台g - m 机( 4 k ) n 嘶 n b 3 s n 1 0 1 1 2 8l q 疗9 4 一般用途神户制钢等 1 9 9 6 1 台o m 机 n 嘶 n b s “ 2 台o - m 机( 4 l ( ， l o o ，1 3 l1 1 5 1 4 9 一般用途东芝公司1 9 9 6 n b n2 0 k 1 电化学反 2 ： 眈6 06 1 5 2m 住友重工1 9 9 61 台西m 机 应实验 物质结构 9 0 ( 5 0 ) 1 3 0 5 ，1 2 2姗 住友重工等 1 9 9 7 l 台g - m 机 分析 加速器聚日本物化所和 ，1 6 06 4 0 21 9 9 7 l 台o m 机 焦系统 三菱电气 5 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 续前表 基本粒子 5 ，3 3 6 日本高能多等 1 9 9 7 2 台g - m 机( 4 k ) 探测 n b 3 s n l 洲l o ，1 6 2 日本住友重工 1 9 9 8 1 台g m 机 n b n 探索性试日本东北大学 2 2 0 ， 6 1 5 2啪 1 9 9 s 验等 重离子柬 1 0 0 ，1 6 06 2 ，柏2n 呱 日本理化所等 1 9 9 8 聚焦 n b j s n 探索性试日本住友重工 5 2 ，7 41 5 1 ，9 0 、1 5 71 9 9 8 2 台g - m 机 n 哳 验等 3 0 吖5 ，8 1 6 6n 哳日本神户1 9 9 8g - m 机 ( n b , t i ) 3 s n 中子散射日本原子能所 5 l ，7 8l o ，1 5 11 9 9 9 2 台g - m 机 n 呱 实验 等 日本东北大学 l ，5 1 5 7n 娟 微波管 1 9 9 9 等 o 妯，t i ) 3 s n 日本t o h o k u 大 1 0 3 1 8 0 1 加1 9 9 9 4 台g o m 机 n b 啊学 1 。3 加快超导磁体冷却速率方法的研究现状 在制冷机冷却超导磁体系统应用中，初始冷却时间始终是一个让人头痛的 问题。由于二级冷头制冷量的有限，实验者往往耗费数十小时甚至几天的时间 去冷却超导磁体洌。图1 2 给出了一个脉管制冷机直接冷却超导磁体冷却时间 曲线图，制冷机在4 k 时有0 4 w 制冷量，系统冷重为1 6 k g ，冷却时间为4 4 小时【3 0 】。 耋 乏 藿 象 i - 一 t i m e 伽。h 瞎l7 。 。 图1 25 t 5 2 m m 脉管制冷机直接冷却超导磁体系统冷却时间曲线 6 蛳梆蝴掰枷仍啪伪懈强雒筋。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 为此，人们想方设法去降低初始冷却时间。本文对目前应用在冷却超导磁 体系统中的加快冷却速率方法和应用情况进行了总结和介绍： 1 ) 液氮预冷。由于液氮具有较大的汽化潜热，利用液氮预冷可以迅速将 磁体系统冷却到8 0 k 左右。液氮预冷可以采取盘管盘绕在超导磁体系统外部， 也可以采取浸泡冷却，把超导磁体系统浸泡在杜瓦容器内。不过由于预冷盘管 和杜瓦的存在的存在，使系统结构变得稍微复杂。 东芝公司在1 9 9 4 年研发的6 t 和1 9 9 5 年研发的1 0 t 制冷机直接冷却的超 导磁体系统都采用了液氮进行预冷限1 0 l 。系统都采用两台两级g m 型制冷机分 别冷却磁体和辐射屏，4 k 级g m 型制冷机在4 k 可以提供o 5 w l w 的制冷 量。6 t 系统为m 厢，室温孔直径1 8 0 m m ，冷重不详( 4 0 k g ) ，初始冷却时间 一共用了2 l 小时；1 0 t 系统为砸和n b 3 s n 组合超导磁体，室温孔直径1 0 0 m m ， 冷重8 8 k g ，外磁体为n b n ( 外径2 7 8 m m ，内径2 1 5 m m ，长度2 4 0 r a m ) ，内磁 体为n b 3 s n ( 外径1 9 6 m m ，内径1 3 1 r a m ，长度1 9 0 r a m ) ，初始冷却时间为2 4 小时，前8 小时为液氮预冷时间。 北京电工研究所在1 9 9 9 年试制的制冷机直接冷却超导磁体系统，中心磁场 强度为5 t ，采用液氮预冷辐射屏和磁体【3 l 】系统采用一台两级g m 型制冷机， 二级冷头制冷量0 5 w 4 2 k ，一级冷头制冷量1 5 w 7 0 k 。系统为n b n ，室 温孔直径5 0 m m ，冷重不详，磁体尺寸为外径1 0 0 m m ，内径6 0 m m ，长度1 7 2 m m 。 采用液氮把系统由3 0 0 k 预冷到8 0 k 左右，耗时1 2 小时左右，然后开启制冷 机，由8 0 k 冷却到5 k 耗时1 0 小时，系统初始冷却时间为2 2 小时。图1 3 给 出了该超导磁体系统冷却时间曲线。 2 m i s 口 3 ：叫s ：0 0t ： ：l l ：1 3 ：1 5 ：吣l 謇： l ：乱： 7 t i l e o i m i ：| i a m t e ) ， 图1 35 t 5 0 m m 液氮预冷超导磁体系统冷却时间曲线 7 鲁：拿h 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 2 ) 气隙式热开关预冷。气隙式热开关具有单向导热、输热量大、能实现 自动开关和小热漏等特点，被广泛的应用在空间制冷，现在也被越来越多的制 冷机冷却超导磁体系统采用。 由于制冷机一级冷头温度在初始阶段低于二级冷头温度，可采用热开关将 一级冷头冷量由工作介质导热传给二级冷头根据热开关冷却部件的温度要 求，要选择合适的充气介质，常用的工作介质为氮气、氖气和氦气。当工作介 质逐渐被冷却到饱和状态直至固化，气体的导热量开始随着气体压力的降低而 降低，从而使热开关自动断开。 1 9 9 6 年，神户制钢公司研发的制冷机直接冷却超导磁体系统，室温孔可以 水平和垂直放置，中心磁场强度为1 0 t ，采用氖气气隙式热开关，充气压力为 0 4 m p a 0 2 1 。该系统为n b t i 和n b 3 s n 组合超导磁体，采用一台两级g m 型制冷 机冷却。室温孔直径1 0 1 m m ，冷重1 3 0 k g ，外磁体为n b t i ( 外径2 9 6 m m ，内 径2 0 4 m m ，长度2 7 3 m m ) ，内磁体为n b 3 s no i , 径1 9 5 m m ，内径1 2 8 m m ，长 度2 1 8 m m ) ，系统初始冷却时间为4 5 小时。他们对氖气热开关进行了性能测试 实验，用一虚拟磁体来代替真实磁体，该代替磁体重量为3 1 6 k g ，采用氖气热 开关前后的初始冷却时间分别为2 1 小时和1 4 小时，其初始冷却时间对比曲线 如图1 4 所示。 t i m e ( h o u r ) 幻无热开关 t i m e ( h o 吲i b ) 有热开关 图1 41 0 t 1 0 1 m m 制冷机冷却超导磁体系统冷却时间对比曲线 1 9 9 8 年，神户制钢公司对1 0 t 和5 t 的制冷机冷却超导磁体系统进行了性 能对比【3 3 1 1 0 t 系统为上面所介绍，后者室温孔直径为3 0 0 m r n ，冷重1 6 0 k g 。 5 t 系统采用氖气热开关后的初始冷却时间为6 5 小时 1 9 9 8 年，日本东北大学研制的制冷机冷却超导磁体系统，室温孔可以水平、 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 垂直和任意角度放置，中心磁场强度为1 0 t p 4 1 。该系统为n b t i 和n b a s n 组合 超导磁体，采用一台两级g - m 型制冷机冷却室温孔直径1 0 0 r a m ，冷重不详， 外磁体为n b t i ( 外径2 9 6 m m ，内径2 4 8 m m ，长度2 3 0 r a m ) ，内磁体为n m s n ( 外径2 3 6 m m ，内径1 2 7 r a m ，长度2 3 0 m m ) ，系统采用热开关前后的初始冷 却时间分别为4 8 小时和7 0 小时，如图1 5 所示。 q v ： 三 ： 置 l 1 f ir m ( h o u r ) 图1 51 0 t 1 0 0 m m 制冷机冷却超导磁体系统冷却时间对比曲线 2 0 0 0 年，韩国h o n gi ku n i v e r s i t y 对制冷机冷却的超导磁体系统采用两种 不同结构的热开关性能做了实验研究，该热开关工作介质为氮气，充气压力为 o 1 m p a t 2 9 该实验中用9 k g 的铜块代替超导磁体，采用一台两级g - m 型制冷 机冷却，二级冷头制冷量l w 2 0 k ，一级冷头制冷量7 w 7 7 k 。不用热开关 的初始冷却时间为2 9 小时，一级冷头稳定温度为1 3 k ；采用不同热开关后的 初始冷却时间分别为2 5 小时和2 3 小时，一级冷头稳定温度相应为2 5 k 和2 2 k 。 冷却时间曲线如图1 6 所示。 。 ， 7 t i m e ( h o u r ) 图1 6 两种不同热开关冷却时间对比曲线 9 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 3 ) 回热式热开关预冷。该方法从压缩机进气和回气管路引出一支路，利 用阀门开度来控制流量大小，关断时需要手动或者采用自控，结构复杂。 回热式热开关是利用初始冷却阶段一级冷头的冷量来冷却超导磁体。该热 开关在两冷头和压缩机之间增加一逆流式气体换热回路，室温气体由压缩机出 气口首先经过一个热交换器一回热器被预冷，然后流向一级冷头的同轴式换 热器被一级冷头冷却，冷却后的气体流经二级冷头的同轴式换热器冷却超导磁 体，吸收热量的气体流向回热器中与来自压缩机出口的气体进行热交换，换热 后的气体然后流回压缩机，这样完成一个换热循环。 图1 7 给出了一个典型的回热式热开关预冷示意图。此系统采用一台两级 g - m 型制冷机冷却，二级冷头制冷量5 w 2 0 k ，一级冷头制冷量 1 0 0 w 8 0 k 2 9 。采用回热式热开关前后的初始冷却时间分别为1 5 小时和7 小 时。图1 8 给出了冷却时间对比曲线。 图1 7 回热式热开关冷却示意图图1 8 采用热开关前后的对比时间曲线 1 4 课题研究内容 由于磁体采用先前浸泡式系统中的超导磁体，磁体结构复杂，内部接触热 阻大，超导磁体系统难以被制冷机充分冷却，而且容易失超。我们在考虑各种 1 0 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 因素后，综合传统液氦浸泡冷却和制冷机直接冷却两种方案，采用再冷凝方式 冷却超导磁体。由脉管制冷机液化氦气，蒸发的饱和氦气与翅片对流换热被冷 凝，达到系统液氦的零损耗。 根据前面文章对加速冷却超导磁体系统发展历史的介绍可知，影响初始冷 却时间的因素很多，不仅取决于制冷机的制冷量、系统冷重、超导磁体结构和 尺寸、制冷机和超导磁体的连接等因素，还取决于系统的漏热，各种方法都有 其优点和适用范围。因此，我们必须根据实际情况，对各种方法进行研究和分 析，选择一种合适方案，使脉管制冷机系统有一个最快的冷却速率。 本文主要开展了以下几方面的工作： 1 计算此系统采用脉管制冷机直接冷却超导磁体的初始冷却时间，并对如 何改善制冷机冷头与超导磁体和磁体内部之间接触热阻提出建议； 2 分析气隙式热开关对初始冷却时间的影响。对比两种不同结构热开关的 导热性能，并就结构尺寸对热开关传热性能的影响进行计算和分析。 3 计算此系统采用液氮浸泡冷却超导磁体的初始冷却时间。 浙江大学硕士学位论文第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 为了开展超导技术的应用工作，我们准备搭建脉管制冷机冷却超导磁体系 统实验台，图2 1 为制冷机冷却超导磁体系统示意图。主要由以下几部分构成： ( 1 ) 制冷机系统；( 2 ) 超导磁体系统；( 3 ) 真空和绝热系统；( 4 ) 测量系统 整个超导磁体系统高度9 3 0 r a m ，外径6 6 0 r a m ，室温孔直径2 0 m m 。各部分详 细介绍如下。 图2 1 脉管制冷机冷却超导磁体系统结构示意图 2 。1 制冷机系统 制冷机系统主要由两级分离型脉管制冷机、平面旋转阀和氦压缩机等组 成。在整个超导磁体系统中，制冷机提供冷量，冷却超导磁体和液化蒸发的氦 气。本实验采用的制冷机一级冷头制冷量为2 0 w 4 0 k ，二级冷头制冷量为 0 6 w 4 2 k 。 浙江大学硕士学位论文 第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 2 1 1 分离型脉管制冷机 两级分离型脉管制冷机由两台相互独立的单级脉管制冷机并列组合而成， 在制冷机一级冷头处引出热桥预冷第二级回热器的中部，两级均采用双阀双向 进气型小孔工作模式，脉管和回热器采用u 型布置。为了控制直流，双向进气 采用双阀并行布置的形式。调相装置均位于室温端。 1 ) 脉管和回热器制冷机一级脉管和回热器的外径分别为由4 1 m m 和 6 6 m m ，回热器蓄冷材料从高温端到低温端分别为2 5 0 目磷青铜丝网和颗粒 直径咖o 2 0 5 的铅丸；二级脉管和回热器的外径分别为巾2 0 m m 和q b 3 0 m m ，回热 器蓄冷材料从高温端到低温端分别为2 5 0 目不锈钢丝网，颗粒直径由0 1 0 5 的 铅丸，e r n i o 9 c o o 1 和颗粒直径巾o 1 - 0 5 的铅丸h o c u 2 。制冷机性能好坏与回热 器填料的选取和布置方式直接相关。 由于二级回热器要被一级冷头引出的热桥预冷，为了更好的进行换热，回 热器分为两端，中间是一个中空的热连接接头( 如图2 2 ) ，内部嵌有液氮浸泡 过的狭缝换热器( 如图2 3 ) 。为了减小接触热阻，所以连接处均加垫铟片。 图2 2 二级回热器熟连接接头 窿终， 黝琴3 图2 3 狭缝式换热器示意图 浙江大学硕士学位论文 第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 2 ) 冷热端换热器冷热端换热器的功能主要是强化传热及对进出脉管内 气体层流化以避免气体扰动。在强化传热方面，冷端换热器( 包括脉管、回热 器冷端换热器和冷头端盖) 是为了使得脉管冷端产生的制冷量能有效地输出给 待冷却物体；热端换热器( 包括脉管热端换热器和热端端盖板) 的目的则是尽 可能地将冷端经回热器和脉管泵送到热端的热负荷及时释放到大气环境中。制 冷机产生的制冷量如果不能有效地通过冷端换热器输出给待冷却物体，这些冷 量将随同振荡气流进入脉管和回热器高温区而成为损耗的一部分；同样如果冷 端热负荷无法及时通过热端换热器释放到环境，则会直接制约制冷量的进一步 增大。因此，冷热端换热器性能的好坏直接决定了制冷机性能的高低。 3 ) 小孔阀、双向进气阀脉管制冷机采用双阀双向进气结构，即用两个 并联排列、流向相反的双阀门结构代替传统的单阀门双向进气结构。它利用进 排气过程阀门流量系数的不对称性，有效地实现了对循环于回热器和脉管的直 流流动的抑制，克服了传统双向进气结构诱发的直流流动带来的消极影响，从 而改善了双向进气型脉管制冷机性能，避免了脉管和回热器温度反常分布、制 冷机长时间运行温度不稳等问题。小孔阀和双向进气阀采用s w a g e l o k 高精度 可调针阀。 2 1 2 氦压缩机 高性能的氦压缩机对于制冷机获得良好性能起着十分关键的作用。实验中 采用德国l e y b o l d 公司的涡旋式压缩机c p 4 0 0 0 、c p 6 0 0 0 ，额定功率分别为 4 k w 和6 k w 。 2 1 3 平面旋转阀 平面旋转阀由电机、阀芯、阀体，气体流道等组成。旋转阀的阀芯用掺碳 聚四氟乙烯( r u l o n ) 制作，具有自润滑作用。旋转阀时序由阀芯的开槽大小 和位置决定，可以通过更换阀芯来实现。频率的调节可通过变频器改变旋转阀 电机的转速来实现，实验采用日本东芝公司v f - s 9 型频率控制器。 2 2 超导磁体系统 超导磁体系统主要包括n b t i 磁体、二元高温超导电流引线、失超保护装 置、液氦杜瓦、辐射屏和氮气导入管等。 1 4 浙江大学硕士学位论文第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 2 2 1n b t i 磁体 目前超导磁体使用的超导线材有n b t i 、n b 3 s n 和氧化物高温超导体线材。 其中，n b 3 3 线材价格便宜，而且因为是合金材料，磁体制造上比其他两种线材 容易。但是n b t i 线材的临界温度较低，工作时需要有一定的温度裕度。为了 确保超导磁体在一定的电流下能稳定运行，磁体工作温度与临界失超温度之差 不小于1 k 。图2 4 给出了n b t i 线在不同外加磁场下的临界电流密度。本磁体 芯简为黄铜，采用多丝n b h 线绕制，磁体净孔直径2 0 m m ，外径8 8 m m ，高度 1 1 5 m m 。工作电流为3 5 a ，i 作温度为4 5 k ，中心磁场强度为5 t ，总储电磁 能1 2 h b 。磁体结构如图2 5 所示。 图2 a 超导材料在不同外加磁场狭的临界电流密度 图2 5 超导磁体 浙江大学硕士学位论文第2 章脉管制冷机冷却超导磁体系统实验装置 2 2 2 二元高温超导电流引线 电流引线是超导磁体系统中的关键部件，系统的主要热负荷是由于电流引 线的漏热产生。在传统的液氦浸泡冷却的超导磁体系统中，电流引线可以通过 蒸发的氦气进行冷却，而在制冷机直接冷却的超导磁体系统中，只能靠制冷机 冷头的传导冷却，漏热更大。电流引线分为上下两段：上段为导电性能好的纯 铜，其上端处于室温；下段为高温超导电流引线b i 2 2 2 3 体材，其上端在辐射 屏处与铜引线连接，下端与超导磁体相连。上段和下段的连接点由制冷机一级 冷头冷却，通过铜引线的热流在辐射屏处被截断，从而减少室温端到超导磁体 的漏热。 高温超导电流引线b i - 2 2 2 3 工作在超导态，其内没有焦耳热，而且具有很 低的热导率，体材在7 7 k 4 k 温区的平均热导率只有不锈钢的1 3 t 3 卯，减少了 一级冷头n - 级冷头的漏热。对于制冷机二级来说，4 k 时的制冷量只有 o 5 w 1 5 w ，