大冷量GM制冷機(jī)可插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李重杭，王 哲，謝 宏，呂志寧，余 鵬，周志坡，李 奧，杜翔宇，李泊靜

（1.南方電網(wǎng)深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000；2.中船重工鵬力（南京）超低溫技術(shù)有限公司，南京 211100；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510000）

0 引言

自1911年Onnes在4.2 K附近發(fā)現(xiàn)汞的超導(dǎo)現(xiàn)象以來(lái)，超導(dǎo)技術(shù)的研究不斷深入。隨著超導(dǎo)材料臨界溫度突破液氮沸點(diǎn)77 K，超導(dǎo)科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了高溫超導(dǎo)時(shí)代[1]。由此對(duì)能夠在該溫區(qū)提供較大冷量的GM制冷機(jī)需求更加迫切。目前，國(guó)外如美國(guó)的Cryomech以及日本的住友等公司，均已推出用于高溫超導(dǎo)領(lǐng)域的大冷量GM制冷機(jī)產(chǎn)品[2-3]。與4.2 K溫區(qū)GM制冷機(jī)相比，超導(dǎo)器件配套的制冷機(jī)必須具備較大冷量、高可靠性以及維護(hù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，并對(duì)整機(jī)的體積和質(zhì)量提出了更高的要求。

除了對(duì)制冷機(jī)本身的性能、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，制冷機(jī)與換熱器之間的熱耦合問(wèn)題對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言也十分重要。為了減小漏熱損失，制冷機(jī)與換熱器通常采用集成式結(jié)構(gòu)，即制冷機(jī)冷頭通過(guò)螺釘直接與換熱器相連。對(duì)于集成式結(jié)構(gòu)，制冷機(jī)一旦發(fā)生故障，制冷系統(tǒng)需停機(jī)復(fù)溫，拆除兩者之間的連接，系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，維修流程繁瑣。為了避免此問(wèn)題，可考慮采用熱插拔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)整機(jī)的更換及拆卸維修。馬光同等[4]設(shè)計(jì)了一種可插拔式低溫容器，利用鉤形螺栓實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的插拔，降低了制冷機(jī)拆裝的復(fù)雜性。徐海峰等[5]對(duì)氣體軸承斯特林制冷機(jī)的插拔式杜瓦耦合漏熱損失進(jìn)行理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。聶興超等[6]、盛榮進(jìn)等[7]設(shè)計(jì)了一種制冷機(jī)可插拔式固氮低溫容器，實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果均表明，當(dāng)制冷機(jī)拔離低溫容器時(shí)，使用該結(jié)構(gòu)能夠顯著提高固氮的保溫時(shí)間。Dong等[8-9]設(shè)計(jì)了磁懸浮車(chē)載固氮低溫系統(tǒng)，利用電傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)單級(jí)制冷機(jī)的插拔，操作簡(jiǎn)便。

本文針對(duì)大冷量GM制冷機(jī)設(shè)計(jì)了插拔式耦合結(jié)構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證其有效性。探討預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊力以及螺釘個(gè)數(shù)對(duì)傳熱性能的影響。研究在制冷機(jī)冷頭與換熱器之間的熱接觸界面上添加銦片對(duì)傳熱性能的影響。

1 插拔式低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，制冷機(jī)為自主研制的250 W@70 K單級(jí)GM制冷機(jī)，制冷機(jī)進(jìn)、排氣口通過(guò)氦氣軟管與壓縮機(jī)相連[10]。搭建測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)制冷機(jī)的性能進(jìn)行驗(yàn)證：在環(huán)境溫度為30 K、充氣壓力1.6 MPa時(shí)，制冷機(jī)無(wú)負(fù)載最低制冷溫度為23.5 K，20 min從環(huán)境溫度降至25 K，制冷量為255 W@70 K[11-12]。

圖1 插拔式低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of detachable cryogenic system of cryocooler

為了實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)維修、更換制冷機(jī)的目的，設(shè)計(jì)制冷機(jī)可插拔結(jié)構(gòu)。采用隔離腔將制冷機(jī)與被冷卻物體隔離，隔離腔底部為無(wú)氧銅材質(zhì)，利用無(wú)氧銅高導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)，將制冷機(jī)冷量傳遞給被冷卻物體；隔離腔腔體為薄壁不銹鋼材質(zhì)，具有良好的密封性能，同時(shí)具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，從而減小制冷機(jī)熱損耗；隔離腔底部與腔體壁面之間采用真空釬焊技術(shù)進(jìn)行焊接，保證良好的密封性能。制冷機(jī)冷頭與隔離腔體底部?jī)?nèi)表面通過(guò)壓接的方式進(jìn)行冷量傳遞，隔離腔內(nèi)部抽氣，從而降低漏熱。當(dāng)需要進(jìn)行制冷機(jī)更換時(shí)，僅需要將制冷機(jī)進(jìn)行復(fù)溫，拆除制冷機(jī)熱端法蘭固定螺釘，直接拔出待維護(hù)冷頭，然后向隔離腔內(nèi)快速充入高壓高純氮?dú)猓苊飧綦x腔內(nèi)出現(xiàn)冷凝液滴；隨后快速安裝新冷頭。整個(gè)過(guò)程不會(huì)破壞被冷卻物體所在環(huán)境，操作便捷。

制冷機(jī)快速插拔結(jié)構(gòu)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：其一為制冷機(jī)腔體和目標(biāo)腔體真空夾層使用無(wú)氧銅作為傳熱介質(zhì)，需要采用銅、不銹鋼異種金屬焊接，本文采用真空釬焊技術(shù)和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證密封和傳熱；其二為冷頭和無(wú)氧銅之間存在的接觸熱阻，本文研究熱插拔結(jié)構(gòu)傳熱溫差，探討可插拔結(jié)構(gòu)的可行性和工藝以及接觸熱阻的改善方法。

為了開(kāi)展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，搭建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。制冷機(jī)主體通過(guò)螺釘固定在抬升法蘭上，并跟隨抬升法蘭一起移動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)緊螺釘能夠調(diào)整抬升法蘭與罩體法蘭之間的距離，可改變制冷機(jī)下端面與導(dǎo)冷銅板之間的壓力。罩體法蘭與抬升法蘭之間的密封方式為O形圈側(cè)密封。采用Lakeshore公司的DT-670型溫度傳感器測(cè)量制冷溫度，由218型溫度監(jiān)測(cè)儀輸出顯示。加熱器由直流電源供電，采用四線(xiàn)法測(cè)量加熱器兩端的電壓和電流，以此計(jì)算產(chǎn)生的熱量，溫度傳感器和加熱器均安裝在導(dǎo)冷銅板表面。通過(guò)低溫閥門(mén)能夠?qū)Ω綦x腔內(nèi)部抽氣。圖2為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的測(cè)試系統(tǒng)圖，罩體法蘭固定在外部杜瓦上，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)制冷機(jī)在目標(biāo)溫區(qū)下的制冷量進(jìn)行測(cè)量。

圖2 插拔式低溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Experimental test system of detachable cryogenic system

2 插拔式低溫系統(tǒng)漏熱分析

插拔式低溫系統(tǒng)的漏熱主要包括三個(gè)部分：固體導(dǎo)熱漏熱、輻射漏熱以及氣體對(duì)流漏熱。其中固體導(dǎo)熱漏熱可以通過(guò)傅里葉定律計(jì)算[13]，如式（1）所示：

式中：Qcond為固體導(dǎo)熱漏熱量，W為導(dǎo)體的平均熱導(dǎo)率，W/（m·K）；A為導(dǎo)體的橫截面積，m2；L為導(dǎo)體的橫截長(zhǎng)度，m；TH為導(dǎo)體高溫端溫度，K；TL為導(dǎo)體低溫端溫度，K。

發(fā)生固體導(dǎo)熱漏熱的主要部位包括隔離腔腔體、溫度傳感器引線(xiàn)和加熱器引線(xiàn)。

輻射漏熱可以通過(guò)式（2）進(jìn)行計(jì)算[14]：

式中：Qrad為兩物體之間的輻射傳熱量，W；σ0為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）；A1為輻射傳熱面積，近似可取制冷機(jī)氣缸外表面的面積，m2；εn為有效輻射系數(shù)；φ1-2為輻射傳熱的角系數(shù)；T1、T2為冷、熱壁面的溫度，K。

殘余氣體分子流動(dòng)形成的漏熱量可通過(guò)式（3）計(jì)算：

式中：Am為傳熱面積；λ為氣體傳熱系數(shù)；ΔT為高低溫物體的溫差。

測(cè)試過(guò)程中對(duì)隔離腔內(nèi)部抽氣，壓力范圍為10-4~10-3Pa，在這種情況下氣體的對(duì)流傳熱可以忽略不計(jì)[15]。通過(guò)計(jì)算可以確定制冷機(jī)冷頭穩(wěn)定在70 K時(shí)系統(tǒng)總的漏熱損失，表1為相關(guān)參數(shù)值。經(jīng)計(jì)算可得：隔離腔腔體固體導(dǎo)熱為7.221 W，溫度傳感器引線(xiàn)固體導(dǎo)熱為0.024 W，加載器引線(xiàn)固體導(dǎo)熱為0.055 W，輻射漏熱為0.065 W，總漏熱為7.365 W。

表1 計(jì)算系統(tǒng)漏熱損失的相關(guān)參數(shù)值Tab.1 Calculate relevant parameter values of system heat leakage loss

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)熱量在相互接觸的兩物體間傳遞時(shí)，由于熱接觸面上不平整和粗糙度的存在，熱流在界面處收縮，由此產(chǎn)生接觸熱阻，導(dǎo)致熱接觸面的兩邊產(chǎn)生溫差，該溫差是構(gòu)成傳熱溫差的重要因素[16]。傳熱溫差的數(shù)值與兩物體的材料物理性質(zhì)（熱導(dǎo)率、硬度等）、接觸面壓力、接觸溫度、接觸面粗糙度以及平整度等有關(guān)[17]。在本文設(shè)計(jì)的制冷機(jī)快速插拔結(jié)構(gòu)中，制冷機(jī)底部冷端換熱器與導(dǎo)冷銅板所用材料均為在低溫下具有較大熱導(dǎo)率的無(wú)氧銅。

通過(guò)調(diào)整預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊力可以改變熱接觸面的壓力，壓力可通過(guò)式（4）計(jì)算。預(yù)緊螺釘所需的扭矩可以通過(guò)式（5）進(jìn)行計(jì)算。

壓力：

預(yù)緊力矩：

式中：T為預(yù)緊力矩，N·mm；k為預(yù)緊力系數(shù)，根據(jù)摩擦表面狀態(tài)，一般為0.1~0.2，精加工表面為0.1，粗加工表面為0.2；F0為預(yù)緊力，N；d為螺紋公稱(chēng)直徑，mm；D為接觸面直徑，m；p為接觸面壓力，Pa。

3.1 溫度對(duì)傳熱溫差的影響

圖3為傳熱溫差隨制冷溫度的變化曲線(xiàn)，此時(shí)保持抬升法蘭上8顆預(yù)緊螺釘?shù)牧貫?0 N·m不變，制冷機(jī)的溫度變化區(qū)間為30~80 K。從圖中可以看出，隨著溫度逐漸上升，傳熱溫差逐漸減小，在低溫段變化比較明顯，在高溫段變化趨勢(shì)逐漸放緩，30 K時(shí)傳熱溫差為2.3 K，80 K時(shí)僅為0.82 K。當(dāng)溫度降低時(shí)，接觸界面兩端物體的熱導(dǎo)率和材料的硬度、彈性模量等物性參數(shù)發(fā)生變化，由于熱脹冷縮效應(yīng)，制冷機(jī)冷端換熱器和導(dǎo)冷銅板會(huì)收縮，導(dǎo)致其界面間隙變大，接觸效果變差，傳輸熱阻增大，傳熱溫差增大。從微觀上看，溫度升高使熱載子（傳遞熱量的微觀粒子）的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，從而增大接觸層傳熱系數(shù)，熱流增加，界面熱阻降低，傳熱溫差隨之降低。

圖3 傳熱溫差隨制冷溫度的變化曲線(xiàn)Fig.3 The change of heat transfer temperature difference with the refrigeration temperature

3.2 預(yù)緊力矩對(duì)傳熱溫差的影響

為盡可能減小傳熱溫差，提高傳熱效率，降低工藝復(fù)雜性，研究了不同預(yù)緊力矩對(duì)傳熱溫差的影響。實(shí)驗(yàn)中加熱量保持在255 W，導(dǎo)冷銅板溫度保持在70 K，圖4為傳熱溫差隨預(yù)緊力矩的變化。增大預(yù)緊螺釘?shù)念A(yù)緊力矩能夠提高接觸面的壓力。從圖中可以看出，預(yù)緊螺釘個(gè)數(shù)為8，當(dāng)預(yù)緊力矩從5 N·m增大到10 N·m時(shí)，傳熱溫差從2.1 K迅速下降到0.82 K，隨著預(yù)緊力矩進(jìn)一步增加，傳熱溫差下降的幅度有所減緩。預(yù)緊螺釘個(gè)數(shù)為6，傳熱溫差的變化趨勢(shì)與8顆預(yù)緊螺釘時(shí)相同，在10 N·m預(yù)緊力矩時(shí)相差不到0.1 K。而預(yù)緊螺釘個(gè)數(shù)下降到4，在較小預(yù)緊力矩時(shí)，傳熱溫差相較前兩種情況會(huì)增大，預(yù)緊力矩為5 N·m時(shí)的傳熱溫差相較8顆預(yù)緊螺釘時(shí)上升了0.31 K，預(yù)緊力矩較大時(shí)這種差別能夠消除，意味著要達(dá)到相同的傳熱溫差，預(yù)緊螺釘個(gè)數(shù)較少時(shí)所需的預(yù)緊力矩更大。溫度一定時(shí)，隨著預(yù)緊力矩增加，熱接觸面上的接觸壓力增大，接觸面材料形變?cè)龃?，可以改善接觸面上的缺陷，使接觸面之間的熱傳導(dǎo)得以增強(qiáng)，降低了傳熱溫差；當(dāng)扭矩增大到一定程度時(shí)，接觸面材料之間已結(jié)合相當(dāng)緊密，傳熱溫差變化趨勢(shì)變緩?？梢?jiàn)，在高溫超導(dǎo)溫區(qū)，適當(dāng)提高接觸壓力可以大幅度降低熱接觸面的接觸熱阻，從而降低傳熱溫差，提高傳熱效率。

圖4 傳熱溫差隨預(yù)緊力矩的變化曲線(xiàn)Fig.4 The changing of heat transfer temperature difference with the pre-tightening torque

3.3 添加導(dǎo)熱填料對(duì)傳熱溫差的影響

制冷機(jī)快速插拔式結(jié)構(gòu)處于真空低溫環(huán)境，冷端換熱器與導(dǎo)冷銅板的接觸熱阻比較大，容易造成傳熱效果不理想。為了減小接觸熱阻，通常要在冷端換熱器底面和導(dǎo)冷銅板頂面之間添加導(dǎo)熱材料[18]。導(dǎo)熱材料要求在低溫下具有較高的導(dǎo)熱率，同時(shí)還要具有良好的延展性，工程上常用的有導(dǎo)熱硅脂和銦片。銦是一種高熱導(dǎo)率、低熔點(diǎn)的金屬，延展性好，能夠有效降低固-固界面的接觸熱阻，改善傳熱性能[19]。

圖5為當(dāng)制冷機(jī)制冷溫度70 K時(shí)，在接觸面添加不同厚度的銦片以及裸接時(shí)傳熱溫差的變化曲線(xiàn)。從圖中可以看出，添加銦片后傳熱溫差降低，但隨預(yù)緊力矩的增大變化較小。這是由于銦片具有良好的延展性，只需要較小的壓力就能產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而填充滿(mǎn)界面的空隙；預(yù)緊力矩較小時(shí)，相比于裸接，添加銦片能夠大幅提升傳熱性能，當(dāng)預(yù)緊力矩為5 N·m時(shí)，傳熱溫差降低了1.15 K；預(yù)緊力矩較大時(shí)，裸接的界面間隙較小，此時(shí)添加銦片，傳熱性能提升的幅度降低。實(shí)驗(yàn)還測(cè)試了不同厚度銦片的效果，在0.1~0.3 mm內(nèi)，銦片厚度對(duì)傳熱溫差的影響很小，均有較好的傳熱性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了在10 N·m的預(yù)緊力矩下，添加不同厚度銦片在不同制冷溫度下的傳熱溫差，結(jié)果如圖6所示，添加銦片的傳熱溫差隨溫度的變化大于隨預(yù)緊力矩的變化。

圖5 70 K時(shí)接觸面添加銦片時(shí)傳熱溫差的變化曲線(xiàn)Fig.5 The change of heat transfer temperature difference when adding indium sheet at 70 K

圖6 添加銦片時(shí)傳熱溫差隨制冷溫度的變化Fig.6 The change of heat transfer temperature difference with the refrigeration temperature when adding indium sheet

4 總結(jié)與展望

開(kāi)展了高溫超導(dǎo)電纜低溫系統(tǒng)用制冷機(jī)快速插拔式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，主要包括：制冷機(jī)快速插拔式低溫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、低溫系統(tǒng)的漏熱計(jì)算和開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：（1）插拔式結(jié)構(gòu)漏熱為7.36 W，傳熱性能良好，能夠滿(mǎn)足制冷機(jī)快速更換及維修的工程要求。（2）在其他條件一致時(shí)，制冷溫度越低傳熱溫差越大，在30 K時(shí)為2.3 K，70 K時(shí)傳熱溫差僅為0.82 K。（3）當(dāng)預(yù)緊力矩從5 N·m增大到10 N·m時(shí)，傳熱溫差從2.1 K下降到0.82 K，降低了60%以上，但是傳熱溫差不會(huì)隨著預(yù)緊力矩的增大而一直降低，存在一個(gè)較小的預(yù)緊力矩，使接觸界面保持良好的傳熱性能；當(dāng)預(yù)緊螺釘個(gè)數(shù)較小時(shí)，為保證傳熱性能需要增大預(yù)緊力矩。（4）在不同預(yù)緊力矩和制冷溫度下添加銦片均能降低接觸面的傳熱溫差，在70 K溫區(qū)5 N·m預(yù)緊力矩的情況下，相較裸接時(shí)傳熱溫差能夠降低1.15 K；銦片厚度對(duì)傳熱溫差影響不大，均能保持較好的傳熱性能。