傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的設(shè)計與實驗

張海峰 葉海峰 章學(xué)華 丁懷況 武義鋒

(1中國電子科技集團公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽萬瑞冷電科技有限公司 合肥 230088)

1 引言

隨著4.2 K級小型低溫制冷機技術(shù)的突破和高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，采用小型低溫制冷機冷卻低溫超導(dǎo)磁體的技術(shù)得到了快速發(fā)展［1］。利用4.2 K級小型低溫制冷機二級冷頭提供的冷量，可以將低溫超導(dǎo)磁體冷卻至5 K以下，使得超導(dǎo)磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)下，為閉環(huán)無電阻運行提供必要的低溫環(huán)境。

相比于液氦浸泡式的低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，采用制冷機直接冷卻的低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:冷源單一，無需液氦等低溫液體;操作簡單，無需低溫操作經(jīng)驗;結(jié)構(gòu)簡單，減小了液氦存儲空間，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕便。介紹了一套采用4.2 K級制冷機作為冷量來源，直接冷卻高溫超導(dǎo)電流引線和低溫超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

(1)磁場強度0ˉ4 T連續(xù)可調(diào);

(2)均勻區(qū)長度≥50 mm，均勻區(qū)直徑≥40 mm;均勻區(qū)內(nèi)的磁場不均勻度≤±5‰;

(3)超導(dǎo)磁體額定運行電流:≤70 A(4 T);

(4)室溫孔徑:Φ110 mm，室溫孔軸向長度:360 mm。

3 直冷式低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的設(shè)計

此次實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，此次實驗系統(tǒng)主要由G-M制冷機、防輻射屏、超導(dǎo)磁體、高溫超導(dǎo)電流引線等組成［2］。

圖1 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of low temperature superconducting magnet system

3.1 超導(dǎo)磁體的設(shè)計

超導(dǎo)磁體設(shè)計時首先要滿足對磁場的要求，包括磁場在空間的分布和隨時間的變化。其次要考慮超導(dǎo)磁體運行的可靠性，超導(dǎo)磁體的冷卻以及磁體自身的失超保護［3］。此次超導(dǎo)磁體線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，磁體線圈由兩組NbTi線繞制而成的超導(dǎo)線圈組成，結(jié)構(gòu)上采用主線圈為主，線圈兩端各設(shè)計一個補償線圈，表1是磁體線圈的設(shè)計參數(shù)。當磁體線圈通入70 A電流時，中心磁場最大可達4.26 T，圖2是低溫超導(dǎo)磁體的磁場分布云圖，圖3超導(dǎo)磁體補償線圈的電磁力計算云圖。

表1 超導(dǎo)磁體主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of superconducting magnet

圖2 超導(dǎo)磁體的磁場分布云圖Fig.2 Magnetic field distribution of superconducting magnet

圖3 超導(dǎo)磁體補償線圈的電磁力計算云圖Fig.3 Electromagnetic force calculation of superconducting magnet coil

為了既保證線圈骨架的強度，同時降低磁體線圈骨架的傳熱溫差，系統(tǒng)采用無氧銅和不銹鋼疊加而成的復(fù)合骨架。骨架上同時設(shè)計有一定數(shù)量的環(huán)氧浸漬孔，保證線圈進行環(huán)氧浸漬時能夠充分浸入線圈內(nèi)部。

在繞制過程中，采用恒張力繞線機進行線圈的自動繞線，通過均勻的繞線速度、排線均勻性等保證線圈的性能。待線圈繞制完成后，在線圈外額外繞制一層無氧銅絲，以保證低溫下超導(dǎo)線圈的收縮強度。待兩組線圈繞制完成后，將兩組線圈組成一個整體，再進行環(huán)氧真空浸漬，使得線圈成為一個整體，不留任何空隙，以防止導(dǎo)線運動。

3.2 高溫超導(dǎo)電流引線的設(shè)計

電流引線是是磁體礪磁必需的部件，它的設(shè)計直接影響4.2 K級溫區(qū)的漏熱，設(shè)計不當會導(dǎo)致引線漏熱過大而造成系統(tǒng)冷量不夠。電流引線的設(shè)計是在滿足設(shè)計電流的前提下，盡可能減少電流引線向低溫冷頭的漏熱［6］。

此次高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)上分為3段，LTS低溫超導(dǎo)段、HTS高溫超導(dǎo)段(4.2ˉ70 K)，銅引線段(70ˉ300 K)。電流引線結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of HTS

優(yōu)化設(shè)計后的單根電流引線設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 單根70 A電流引線的基本設(shè)計參數(shù)Table 2 Basic design parameters of single 70 A current leads

LTS低溫超導(dǎo)段采用銅材基體承載NiTi合金線，與磁體線圈相連。HTS高溫超導(dǎo)段采用高溫超導(dǎo)材料Bi-2223/Ag-5.3 wt%Au，其特點在于該材料在液氮溫區(qū)以下無阻承載電流大、導(dǎo)熱系數(shù)小。極大程度降低高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳導(dǎo)漏熱和焦耳熱。由于HTS高溫超導(dǎo)帶材的強度較低，易折斷，因此將低溫段高溫超導(dǎo)電流引線附著在不銹鋼分流器上。同時，當高溫超導(dǎo)帶材失超時，分流器可以承載一部分電流，最大程度保護高溫超導(dǎo)帶材，避免大電流燒毀帶材。HTS高溫超導(dǎo)段上端固定在制冷機一級導(dǎo)熱銅板上，導(dǎo)熱銅板與制冷機一級冷頭相連。HTS高溫超導(dǎo)銅座與導(dǎo)熱銅板之間用氮化鋁墊片絕緣，氮化鋁上下兩面加銦片導(dǎo)熱。氮化鋁是一種導(dǎo)熱性較好，導(dǎo)電性較差的脆性材料，強度較差，易碎。利用這種材料，既實現(xiàn)了HTS高溫超導(dǎo)段與制冷機一級冷頭的良好傳熱，又解決了電流引線與導(dǎo)熱銅板之間的絕緣問題。銅引線段采用銅芯電纜，漏熱由制冷機一級冷頭來屏蔽。銅引線段與HTS高溫超導(dǎo)段均采用環(huán)氧管與外界絕緣。

3.3 低溫杜瓦的設(shè)計

低溫杜瓦為超導(dǎo)磁體運行提供必要的低溫環(huán)境，維持超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運行。超導(dǎo)磁體通過環(huán)氧玻璃鋼材料制作而成的拉桿吊裝在磁體杜瓦的上法蘭上，采用銅加工制作而成的防輻射屏與制冷機一級冷頭連接，同樣通過環(huán)氧玻璃鋼材料制作而成的拉桿吊裝在磁體杜瓦的上法蘭上［4-5］。

在此次實驗中，考慮到制冷機能否提供穩(wěn)定的冷量會對超導(dǎo)磁體運行產(chǎn)生一定的影響，因此選用商用化成熟的日本住友公司SRDK-415D制冷機作為冷量來源。該制冷機二級冷頭可在4.2 K溫度下提供1.5 W的冷量，一級冷頭可在50 K時提供35 W的冷量。制冷機二級冷頭通過高導(dǎo)熱系數(shù)的柔性連接部件與超導(dǎo)磁體、高溫超導(dǎo)電流引線的低溫超導(dǎo)段連接。制冷機一級冷頭與防輻射屏、高溫超導(dǎo)電流引線的高溫超導(dǎo)端連接。

為實時監(jiān)測制冷機和超導(dǎo)磁體的溫度狀態(tài)，在制冷機二級冷頭、高溫超導(dǎo)電流引線低溫端、超導(dǎo)磁體上各安裝有一只經(jīng)標定后測量至1.4 K的CX-1010型電阻式溫度傳感器;在制冷機一級冷頭、高溫超導(dǎo)電流引線高溫端和防輻射屏上各安裝有一只PT1000溫度傳感器，并通過測溫儀表采集溫度。表3是此次低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)各個溫度監(jiān)測點的傳感器情況。

3.4 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的漏熱計算

低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中制冷機一級冷頭的主要熱負荷包括［5-7］:(1)室溫對防輻射屏的輻射漏熱;(2)高溫超導(dǎo)電流引線從室溫端到一級冷頭溫度的固體傳導(dǎo)漏熱和焦耳熱;(3)吊桿和支撐的固體傳導(dǎo)漏熱;(4)殘余氣體的對流漏熱;(5)溫度傳感器的測量引線漏熱。制冷機二級冷頭主要熱負荷的包括:(1)防輻射屏對超導(dǎo)磁體的的輻射漏熱;(2)高溫超導(dǎo)電流引線從一級冷頭溫度到超導(dǎo)磁體的漏熱;(3)吊桿和支撐的固體傳導(dǎo)漏熱;(4)殘余氣體的對流漏熱;(5)溫度傳感器的測量引線漏熱。

表3 傳感器布置位置與傳感器類型表Table 3 Sensor placement and sensor type

通過漏熱計算，系統(tǒng)兩級溫區(qū)漏熱如表4所示。

表4 低溫系統(tǒng)漏熱計算Table 4 Heat leakage calculation of cryogenic system

3.5 二級冷頭和超導(dǎo)磁體之間的熱傳導(dǎo)計算

由于直冷式超導(dǎo)磁體直接與制冷機二級冷頭連接在一起，采用制冷機直接冷卻，因此能否將超導(dǎo)磁體冷卻至分流溫度以下是超導(dǎo)磁體運行的前提，同時超導(dǎo)磁體的溫度越低，運行的穩(wěn)定性越高。

此次二級冷頭和超導(dǎo)磁體連接在一起，主要為熱傳導(dǎo)，計算如下:

式中:Q為從冷頭傳向超導(dǎo)磁體的冷量，W;λ為無氧銅的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m˙℃);A為導(dǎo)冷帶的截面積，m2;ΔT為導(dǎo)冷帶兩側(cè)的溫差，℃;L為導(dǎo)冷帶長度，m。

經(jīng)過對RDK-415D制冷機進行了冷量測試，發(fā)現(xiàn)該型號制冷機在3.3 K時可提供0.5 W的冷量。因此設(shè)定二級冷頭溫度在3.3 K，導(dǎo)冷帶的長度為L=220 mm，有效傳熱截面積約為A=5×10－4m2。

查得無氧銅的導(dǎo)熱系數(shù)λ=473 W/m˙K將以上的數(shù)據(jù)帶入公式計算得出ΔT=0.47 K。

所以可以得出超導(dǎo)磁體靠近二級冷頭一端溫度約為3.77 K，低于超導(dǎo)磁體設(shè)計的分流溫度。

為進一步分析超導(dǎo)磁體運行的穩(wěn)定性，對超導(dǎo)磁體在4.2 K下的熱流和溫度場進行Ansys仿真分析。仿真分析結(jié)果如圖5和圖6所示。通過Ansys仿真分析可知，超導(dǎo)磁體在4.2 K溫度下，熱流分布和溫度場分布均滿足超導(dǎo)磁體運行要求，超導(dǎo)磁體表面最大溫差為0.7 K，最高溫度為4.9 K，遠低于超導(dǎo)磁體運行時的分流溫度。

圖5 超導(dǎo)磁體熱流分布仿真云圖Fig.5 Simulation image of superconducting magnetic flux distribution

圖6 超導(dǎo)磁體溫度場分布仿真云圖Fig.6 Simulation image of superconducting magnetic temperature field distribution

4 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的實驗

4.1 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)降溫實驗

實驗前，采用真空機組對低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)夾層進行抽空處理，減小因真空夾層殘余氣體分子產(chǎn)生的漏熱影響。待夾層真空度優(yōu)于1×10－3Pa后，開啟G-M制冷機，進行降溫。經(jīng)過48 h后，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)內(nèi)溫度降至3.8 K，圖7是低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的降溫曲線圖。

圖7 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)實驗降溫曲線Fig.7 Experimental cooling curve of low temperature superconducting magnet system

4.2 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)勵磁試驗

用系統(tǒng)配備的專用勵磁電源對磁體線圈加載電流，電流由0 A加至70 A，先后經(jīng)歷了兩次失超鍛煉，失超電流分別為41.2、56.9 A，第3次加載電流至70 A后，用霍爾元件測量室溫孔中心處磁場強度，實測中心磁場強度為4.26T，室溫孔中心線處磁場位型如圖8所示。經(jīng)測量計算，室溫孔均勻區(qū)長度＞50 mm，均勻區(qū)內(nèi)磁場不均勻度為±2.4‰。

5 結(jié)論

從實驗結(jié)果來看，系統(tǒng)選用1.5 W@4.2 K的GM制冷機作為冷源，實現(xiàn)了低溫超導(dǎo)磁體的直接冷卻。加載電流運行后磁場強度達到設(shè)計值，均勻區(qū)內(nèi)不均勻度優(yōu)于指標要求。

圖8 超導(dǎo)磁體系統(tǒng)磁場位型圖Fig.8 Magnetic type map of superconducting magnet system

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3 南和禮.超導(dǎo)磁體設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:33-38.Lan Heli.Foundation Of Superconducting Magnet Design［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2007:33-38.

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7 汪 汀.張萍萍.陳浩樹.BESⅢ低溫超導(dǎo)磁體線圈骨架及恒溫容器的研制［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(3):12-15.Wang Ting，Zhang Pingping，Chen Haoshu.BESⅢ low temperature superconductive magnet coil skeleton and thermostat’s development［J］.Marine Sience and Tchnology，2011，33(3):12-15.