基于ANSYS的传导冷却超导磁体系统的热分析

在传导冷却超导磁体系统中,超导磁体与系统其它部分的温度平衡过程是依靠固体间的热传导来实现热量传递的。由于超导磁体和冷屏等低温部件冷却条件的差异,将导致磁体内部各处和冷屏不同部位的温度分布不均匀。分析研究超导磁体系统的低温温度分布状况,对于低温系统的热设计和磁体的温度裕度设计具有重要意义。文中借助于ANSYS有限元分析软件,建立了一个大口径传导冷却超导磁体低温系统的稳态三维热分析模型,仿真了超导磁体和冷屏的空间温度场,得到了传导冷却超导磁体低温系统的热分布规律。该分析结果对于大口径传导冷却超导磁体的低温系统设计具有重要的参考价值。     

Delta波荡器传导冷却的热分析与实验研究

波荡器是同步辐射光源中产生X射线的关键设备,低温型Delta波荡器可明显提高镨铁硼永磁铁的峰值场强和内禀矫顽力,进而有效抵抗辐照环境下的磁场退化。为了使永磁阵列进入液氮温区,提出了磁铁干式传导冷却方案,设计了干式低温恒温器结构,利用数值模拟完成了热力学分析优化,并搭建实验台进行了降温测试。结果表明,Delta波荡器可通过单台小型低温制冷机传导冷却进入低温状态,并突破常压饱和液氮温度,最低达到40 K,四个梁的最大温差约1 K,达到温度均匀性要求,并将磁场强度提高20%以上。低温型Delta波荡器模组达到设计指标,验证了波荡器干式传导冷却方案的可行性,对低温型波荡器的研发设计具有重要意义。     

用于量子电阻测量超导磁体及低温系统的研制

介绍一种用于量子电阻测量的超导磁体及低温系统设计和研制.采用一台G-M制冷机为冷源,一部分冷量采用传导冷却的方式冷却超导磁体,另一部分冷量用于预冷氦气,然后通过毛细管节流降温达到超低温,最终实现8T强磁场和1.5K极低温的应用环境.     

一种双臂型低温导热带的性能研究

详细介绍了低温导热带的设计特点。从理论上分析了低温导热带的冷量传输性能和减振特性,得到通过利用高导热率材料可以有效地减小导热温差和降温时间。通过实验验证了低温导热带与制冷机和高温超导滤波器的耦合实验,耦合温差为2.5K。实验结果和理论值基本吻合,分析了造成温差的原因。根据实验结果,提出了新的改进和实施方案。     

EAST低温系统又一新降温模式

EAST氦低温系统是EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)先进超导托卡马克实验装置重要子系统之一;到目前为止,EAST已经成功进行了6次降温实验。第四次降温实验于2008年8月完成,这次降温实验与前几次降温实验很不相同。前3次的降温实验冷却磁体依赖四台透平膨胀机(透平A、B、C和D),透平B、C和D获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A用于制取80K的冷量冷却外冷屏。而此次降温是采用3台透平膨胀机(透平A、B和C),透平B和C与节流阀获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A还是用于制取80K的冷量冷却外冷屏。此次整个降温过程大概用了20天,比以前多耗时25%;文中给出了透平的启动过程、磁体冷却过程和一些操作经验。     

固体材料低温热导率的测量

本实验以4.2K二级G-M制冷机为冷源,采用稳态轴向热流法测量了304不锈钢与环氧玻璃钢在低温下的热导率,讨论了样品上初始温差的成因及其影响,给出了热导率真实值所在的区间,并对测量误差以及各种漏热带来的影响进行了分析。     

热载荷下LEYBOLD G-M制冷机制冷性能测试

简要介绍了高温超导传导冷却的意义和G-M(Gifford-McMahon)制冷机的制冷原理。对高温超导传导冷却用G-M制冷机的空载降温过程,热载荷下的工作过程进行实验分析。总结了制冷机性能测试中的实验过程及方法,解决了实验中的一些问题。     

小型撬装式BOG再液化装置的研发及性能测试

以最新研制的大功率回热式脉管制冷机为核心,建立了一台小型撬装式BOG(Boiled off Gas)再液化实验装置。与传统的BOG再液化装置相比,该装置具有结构紧凑、操作简单、经济效益好等优点。通过测试实验,0.4MPa时,在9400W的电机功率下,该装置制冷功率达到267W@86K;对制冷机冷头和冷屏进行改进后,在8450W的电机功率下,该装置在0.3MPa时的制冷功率达到430W@83K。实验结果表明:对制冷机冷头和冷屏进行优化后,装置的有效制冷功率大幅提高。     

HL-LHC双孔径校正超导磁体低温测试实验研究

双孔径校正超导磁体是大型强子对撞机亮度升级项目的重要组成部分,在4.2 K低温环境下对该磁体进行励磁及性能测试。为避免磁体在降温过程中产生较大的热应力,要求降温过程中磁体各点最大温差不超过30 K。同时,为节省液氦与降温梯度均匀,特设计了一个铜筒体结构用于该磁体的降温和测试,降温过程分为液氮换热降温和液氦直冷降温两个阶段。实验测试结果表明静态液氦消耗速率为55.571 L/h,电流为407 A失超时液氦总消耗52 L、静态消耗16.116 L、内部泄能消耗22.08 L,即液氦消耗不仅包括测试系统的静态消耗、泄能消耗,还存在液氦溢出损耗。     

低温VM制冷机实验研究进展

VM制冷机是一种结构紧凑的热驱动斯特林型制冷机,主要靠工作热源间的温差在系统内产生制冷所需压力波动。通过对系统内部往复运动的排出器设置合适的相位角,VM制冷机可以实现从高温热源和低温热源吸热,向中间热源放热。此外,VM制冷机还具有磨损和振动小、寿命长等优点。到目前为止,气耦合脉冲管型的两级VM制冷机已经能够获得2.49K的无负荷温度,在4.2K可提供36m W制冷量。在总结单级和多级低温VM制冷机的实验进展的基础之上,进一步探讨了低温VM制冷机的应用领域,为低温VM制冷机的发展及实际应用提供了参考。     

EBIT装置低温系统的设计与实验研究

介绍了 EBIT装置低温系统的设计与制作 ,并对实验结果进行了分析。 EBIT装置低温系统采用双冷屏结构 ,通过二级 G- M制冷机冷却冷屏来降低液氦的蒸发量。试验结果 :系统灌注液氦平衡后 ,连续 16个小时液氦的平均蒸发量为1.1升 /小时 ,磁体系统磁场强度大于 5 T,基本满足用户的使用要求。     

EAST超导托卡马克冷屏结构与受力分析

EAST是一个全超导磁体系统的托卡马克实验装置,超导纵场和极向场磁体工作在4K温区下。在磁 体和其它发热部件之间布置有冷屏系统,以减少作用到所有低温冷质部件上的热载,将其保持在最低水平。该系 统包括真空室冷屏(内冷屏)和外真空杜瓦冷屏(外冷屏)两部分。在分析了冷屏低温运行时所受热应力以及等离 子体破裂时所受电磁载荷的基础上,运用大型有限元分析程序NASTRAN,对其不同载荷状况进行了数值计算,为其 结构设计与优化提供了理论依据。     

用氦制冷机测量纯铜低温热导率

在纯铜低温热导率测量实验中原有实验装置利用液氮充当冷源,只能测量78 K到室温的纯铜的热导率. 新的装置改用氦制冷机,其测温范围的低温端可延伸至9 K. 测量结果的不确定度为3%.     

HEPS-TF低温波荡器低温系统设计

高能同步辐射光源验证装置(HEPS-TF)插入件系统计划研制一台基于镨铁硼的低温波荡器(CPMU)样机。低温波荡器的最大热负荷预计不超过700 W@80 K,要求低温系统冷却磁铁温度至85 K以下。低温波荡器低温系统采用过冷液氮闭循环迫流冷却的方式,对低温波荡器真空室内磁铁磁极阵列和真空内大梁进行冷却。根据热负荷估算情况,设计主循环流量为12 L/min,分为两条支路分布冷却低温波荡器内上下两排磁铁磁极阵列。根据循环流量对泵的热量、换热器换热能量、流经低温波荡器的液氮平均温度的影响,推导了液氮循环泵的调节策略。     

制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制

介绍了带制冷机冷却的超导磁体系统杜瓦的设计、制作及实验结果分析。杜瓦采用 4 0 K、10 K双制冷屏结构 ,其室温磁场孔径为 75 mm,长 4 15 m m。试验结果为 :液氦蒸发率为 0 .6 9升 /天 (在 2 0天连续试验期内 ) ,优于合同规定的指标 (2 .4升 /天 )。双制冷屏由一台双级 G- M制冷机冷却 ,工作时一级冷屏温度为 35 K,二级冷屏温度为 7.0 K。磁体系统的磁场强度为 3T,满足了用户的使用要求     

超导同步调相机低温系统设计与试验研究

超导同步调相机是一种用于电力系统的新型动态无功补偿设备, 具有高效、 快速响应等优点. 本文描述了10 Mvar 高温超导同步调相机的总体结构, 励磁绕组采用 YBCO 高温超导带材绕制而成, 通过循环的20 K 冷氦气进行冷却. 低温系统主要包含3 台制冷机、1 台氦气泵、 冷头换热器及其他辅助设备, 通过旋转密封装置与电机转子部分进行连接. 本文重点介绍了低温系统的设计方法, 包括转子、 绝热力矩管和电流引线等关键部位漏热和氦气管路流阻的计算方法, 并通过多次降温试验进行实验验证. 通过对带负载试验结果分析得出: 存在最优的氦气压力和氦气泵转速运行参数, 使得电机转子部分获的最佳冷却效果. 通过与300 kvar 高温超导同步调相机的耦合测试发现, 所研制的低温系统可将转子系统冷却至22.4 K, 满足调相机应用中对低温环境的要求.     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。     

制冷机冷却型小型超导强磁场系统的研制

介绍了一套制冷机冷却型小型超导强磁场系统。超导磁体线圈用铌钛超导线绕制,室温孔直径为75mm,磁场中心Φ25mm×250mm区域内最高场强达到3.64T,磁场不均匀性小于3%。在2.62T场强下连续闭环运行了20天,电流衰减率近似为零。采用4K级低温制冷机冷却防辐射冷屏,液氦蒸发率小于0.03升/小时,系统一次可注入液氦50升,补液周期大于60天。     

上海光源超导波荡器降温特性实验研究

为解决超导波荡器磁体采用G-M制冷机传导冷却温度不均匀的问题,采用以G-M制冷机为冷源、将氦为传热工质冷却超导波荡器。通过采用两台E415制冷机预冷氦气并积液冷却磁体的方式,将氦槽内压力调节至1.6 bar—1.9 bar的工况下,可在制冷机开启55 h后将磁体从室温冷却至4.5 K,在75 h后在氦槽内完成积液50%的目标,并在87 h后将磁体冷却至3.8 K下稳定,磁体与冷头的温差约0.3 K,验证了系统利用氦气冷凝积液作为传热工质并冷却超导波荡器磁体的功能。     

新型复合室温磁制冷机实验性能研究

建立了一台新型旋转永磁体复合室温磁制冷机。通过实验,系统研究交变流动工质的系统工作频率和系统压力对磁制冷机性能的影响,并分析讨论实验结果。以氦气为换热流体工质,钆为磁性材料工质,在优化系统频率和系统压力条件下,磁制冷机获得了-7.7℃的最低无负荷制冷温度,以及10 K温差下50.5 W的最大制冷量。