小型超導(dǎo)磁體的電流引線及脈管制冷機(jī)研究.pdf

1、小型低溫制冷機(jī)技術(shù)的發(fā)展和高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，使得利用制冷機(jī)冷卻低溫超導(dǎo)磁體成為可能，而脈管制冷機(jī)由于冷端不存在運(yùn)動(dòng)部件，具有運(yùn)行可靠、低振動(dòng)、低噪聲以及長壽命等優(yōu)點(diǎn)，得到人們的青睞。本文主要介紹使用自制的二級(jí)脈管制冷機(jī)冷卻小型NbTi超導(dǎo)磁體系統(tǒng)以及系統(tǒng)中二元電流引線的設(shè)計(jì)問題，詳細(xì)介紹了脈管制冷機(jī)第一級(jí)恢復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體研究工作如下： 1、二級(jí)脈管制冷機(jī)冷卻小型NbTi超導(dǎo)磁體系統(tǒng)元件的加工和組裝。本文從實(shí)際的加工和組裝出發(fā)

2、，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、低溫冷卻系統(tǒng)及一些輔助元件的結(jié)構(gòu)。 2、系統(tǒng)中二元電流引線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。電流引線由高溫段的銅引線和低溫段的Bi-2223高溫超導(dǎo)電流引線組成，運(yùn)行電流35A。假設(shè)遵守Wiedeman-Frantz定律的基礎(chǔ)上，對(duì)銅引線進(jìn)行理論優(yōu)化，得到最佳幾何優(yōu)化參數(shù)Γ；利用擬合熱導(dǎo)率與電阻率的計(jì)算式，用數(shù)值方法得到優(yōu)化結(jié)果。由于對(duì)熱導(dǎo)率和電阻率的處理方法不同，造成了求解結(jié)果的差異。對(duì)本系統(tǒng)來說，數(shù)值求解得到的最

3、佳幾何優(yōu)化參數(shù)r和最小漏熱量略小于理論解并且兩者溫度分布不同，數(shù)值計(jì)算中的物性更接近實(shí)際物性，所以結(jié)果較為精確，但與實(shí)際優(yōu)化值相比仍存在誤差。通過計(jì)算HTS電流引線發(fā)現(xiàn)：HTS電流引線存在一個(gè)合理的長度范圍使得其對(duì)制冷機(jī)單位電流功耗影響較小且引線制作成本低；當(dāng)HTS電流引線長度一定時(shí)，存在一個(gè)唯一最佳電流密度和截點(diǎn)溫度使得制冷機(jī)單位電流功耗最小。 3、使用有限元軟件ANSYS10.0，對(duì)電流引線中的傳熱進(jìn)行有限元分析。對(duì)熱傳導(dǎo)有

4、限元基本理論進(jìn)行了簡單介紹，建立了有限元模型。通過求解一系列不同結(jié)構(gòu)尺寸的模型，得到銅引線低溫端面漏熱與Γ值的關(guān)系曲線，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的Γ值。銅引線最優(yōu)結(jié)構(gòu)時(shí)的溫度分布形狀與優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到的結(jié)果存在差異，這也是由于對(duì)物性處理方法不同引起的。由于有限元分析過程中使用了實(shí)際物性，所以得到的結(jié)果更精確。數(shù)值模擬了銅電流引線尺寸不變時(shí)在不同電流下的溫度分布，由此研究當(dāng)電流變化時(shí)引線內(nèi)的溫度變化，可避免因電流過大燒毀引線。 4、二級(jí)脈