小型超导磁体的电流引线及脉管制冷机研究

论文摘要

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NbTi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NbTi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Bi-2223高温超导电流引线组成，运行电流35A。假设遵守Wiedeman-Frantz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Γ；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Γ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HTS电流引线发现：HTS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HTS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ANSYS10.0，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Γ值的关系曲线，验证优化设计得到的Γ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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• §1.1 课题研究背景
• §1.2 制冷机冷却超导磁体系统的发展状况
• §1.3 电流引线国内外研究现状
• §1.3.1 电流引线的运行特点
• §1.3.2 电流引线的研究现状
• §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
• §1.4.2 液氦温区脉管制冷机
• §1.4 本文的主要工作
• 第二章 系统介绍
• §2.1 超导磁体系统
• §2.1.1 超导磁体
• §2.1.2 二元电流引线
• §2.1.3 失超保护装置
• §2.2 低温冷却系统
• §2.2.1 二级脉管制冷机
• §2.2.2 液氦杜瓦
• §2.2.3 其他部件
• §2.3 其他辅助设备
• §2.3.1 气囊
• §2.3.2 支架
• §2.3.3 安全阀
• §2.4 本章小结
• 第三章 系统电流引线的优化设计
• §3.1 引言
• §3.2 铜电流引线的优化设计
• §3.2.1 铜电流引线中的一般传热分析
• §3.2.2 理论求解过程
• §3.2.3 数值求解过程
• §3.3 高温超导电流引线的优化设计
• §3.3.1 高温超导电流引线材料的选择
• §3.3.2 高温超导电流引线的优化设计
• §3.4 电流引线的结构设计
• §3.5 本章小结
• 第四章 电流引线数值模拟
• §4.1 电流引线温度场的有限元理论
• §4.1.1 传热问题的一般方程
• §4.1.2 电流引线的有限元分析
• §4.2 电流引线的模拟
• §4.2.1 电流引线有限元模型的建立
• §4.2.2 结果分析
• §4.2.3 优化结果比较
• §4.3 本章小结
• 第五章 脉管制冷机恢复实验
• §5.1 制冷机第一级原有性能
• §5.1.1 更换铅丸后的制冷机性能
• §5.1.2 磁性蓄冷材料的应用
• §5.1.3 不同丝网对制冷机性能影响
• §5.2 制冷机第一级恢复实验
• §5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• §6.1 全文总结
• §6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢