40 T混合磁体冷屏热分析及测试

由中国科学院强磁场科学中心承建的40 T混合磁体装置由外超导磁体与内水冷磁体组成,在超导磁体杜瓦与超导线圈之间设置液氮冷屏。介绍了冷屏结构及冷却流程,并对冷屏热负荷进行了理论计算。对冷屏进行了降温测试,高场下稳定性测试及冷屏热负荷的测定。测试结果表明,冷屏满足降温要求,并可在高场下工作。就冷屏测试结果进行了分析,分析结果可用于冷屏设计及冷屏热负荷计算。     

ITER极向场线圈过渡馈线冷屏的结构优化与传热耦合分析

国际热核聚变实验堆磁体馈线系统是连接杜瓦内部的磁体线圈和杜瓦外部之间的冷源、电源以及控制系统的重要通道,其主要作用是为磁体线圈供电、冷却和测量控制诊断。本文通过理论传热计算、利用有限元分析软件ANSYS进行热分析和温度-结构耦合分析,对处于特殊低温与真空环境的辐射冷屏进行了结构优化,保证了系统的安全运行,为降低冷屏热应力和4.5 K温区的热负荷、减小整个系统的热漏指明了方向,为下一轮冷屏结构设计提供了可靠的依据。     

63.2 K以下的深度过冷液氧制备研究

采用深度过冷方式对液氧推进剂进行致密化能够显著提升密度并增加显冷量,然而当前国内系统制备的过冷液氧温度均在70 K以上,致密化提升效果有限。鉴于此,设计和搭建了基于减压冷却原理的深度过冷氧制备系统,拟将液氧温度过冷至液氮三相点温度63.2 K以下,并分析采用不同低温介质时的液氧推进剂降温特性。结果表明,当以液氮为低温介质时,液氧推进剂在98 min内就可冷却至65.4 K;当以液氧为低温介质时,液氧推进剂降温速率相对较慢,需要大约350 min才可达到65.4 K,但继续进行抽空减压后,液氧推进剂温度可降至61.8 K;同时,在绝热工况下,致密化液氧能较好地维持过冷状态,方便后续的输运和应用。     

冷冻载体Cryotop降温速率的测量及系统优化

Cryotop法是玻璃化保存卵母细胞较有效的方法之一。当Cryotop载体插入液氮时,降温速度极高,几乎瞬间完成,常规的方法无法测量。实验使用数字示波器、线径25μm 的T型热电偶建立起高速测温系统,测量了Cryotop法用于卵母细胞低温保存时的降温速率。通过改变载体材料、厚度、冷源温度等条件,提高Cryotop的降温速率。结果发现当使用60μm的铜质载板,使用浆状液氮作为冷源时,降温速度最高,可达到37130±1336 K/min,较商品化的Cryotop的降温速度（11982±1936 K/min）提高了2倍。     

一种用于飞秒激光实验的柔性真空低温系统

为满足某飞秒激光实验需要,研制了一套低温系统,该系统由真空腔体和制冷系统组成,制冷系统冷源为液氮或液氦。在实验晶体样品的周围使用4个并联电阻加热片提供加热功率,通过PID控制策略,可以将晶体温度控制在5—300 K范围内的任何点。除此之外,该低温系统引入了柔性的输液和排气管路,能够保证晶体在二维移动平台控制下实现一定范围内的移动和转动。介绍了整个真空低温系统的组成,并对系统漏热和晶体温度分布进行了数值模拟,完成了温度测量与控制实验。实验结果表明,通过采用冷气体调节与PID组合的控制策略,当在5—80 K内使用液氦作为冷源时,晶体温度的波动小于0.9 K,当在80—300 K内使用液氮作为冷源时,晶体温度波动小于1.3 K。     

超导HWR腔垂直测试低温系统试验研究

中国科学院先导科技专项ADS(Accelerator Driven Suberitical,ADS)嬗变系统中超导HWR(half-wave resonator,HWR)腔垂直测试需低温系统维持4.2 K(液氦)的低温环境,低温系统降温过程包括氮气置换、液氮预冷、氦气置换和液氦冷却。通过实验建立了低温系统降温4个阶段不同测点温度随时间的变化规律,在此基础上,计算了液氦的消耗速率和杜瓦的静态热负荷,分析了低温系统在稳定工作状态时最佳的液氦补液时间间隔。结果表明:该低温系统满足超导HWR腔垂直测试需求,消耗液氮约175 kg、液氦约2 048 L,低温系统稳定工作时液氦体积消耗速率为32 L/h,杜瓦静态热负荷为21.36 W,液氦合理补液时间间隔为4 h,为后续超导HWR腔垂直测试提供了保障。     

超低温温区热连接方式试验研究

为验证超低温温区不同热连接方式对深冷辐射源的降温影响程度,搭建了超低温温区真空热试验系统,对三种型式的热连接件的超低温导热特性进行了试验.结果表明:40K以下高纯铜与铝呈现出极好的超低温导热特性;在结构允许的前提下,可通过增大热连接件导热截面积、缩短导热路径、降低热连接件热容的方式来降低冷屏降温时间;同时可通过采用柔性...     

基于减压降温原理的过冷液氮冷却系统研制

随着超导技术的迅速发展,为超导材料提供低温环境的制冷系统得到了越来越多的关注。本文详细介绍了一种基于减压降温原理的高温超导电机过冷氮冷却系统,包括技术指标及相关要求、总体结构、关键技术、热负荷分析与计算等。系统采用减压降温获得过冷液氮,冷却电机中超导线圈。液氮进口温度68K,出口温度72K。主要由供液杜瓦、过冷箱、抽空泵、超导线圈杜瓦、返液杜瓦、低温管路及温度仪表组成。试验证明,该冷却系统设计合理、操作方便,成功实现了超导电机的加载运行。     

单台G-M制冷机为冷源力学性能测试系统研究

以单台G-M制冷机为冷源,研究设计了一套可满足8—300 K温区内任意温度点稳定可控的材料力学测试系统,满足对材料的拉伸、压缩、弯曲等力学性能的测试要求。该系统利用少量氦气作为导冷介质,为系统内的夹具、样品等降温,降低至最低温度8 K用时14小时。选取8—300 K内多个温度点对系统进行控温测试,验证该系统在8—300 K内具有可连续稳定控温能力。利用电子万能试验机对该系统的性能进行测试,以77 K为低温的典型温度点对5a06铝合金进行拉伸测试,并与平台测试结果进行对比分析,证明该低温力学测试系统的测试结果具有较高的可信度。     

柱面压缩液氮低温靶的设计与实验研究

研制了柱面加载压缩的液氮温区低温靶,该低温靶以液氮为冷源将样品室冷却到所需的温度,并保持该温度,然后对注入的样品气体液化,为柱面等熵压缩提供条件。根据加载方式和保温时间要求确定了低温靶的初步结构和尺寸,在此基础上分析计算了靶体的漏热、样品室的温度分布和保温时间,对结构尺寸进行优化。在自行搭建的实验台上对柱面压缩液氮低温靶的漏热、降温、温度调控及不同环境条件下的保温特性、样品气体（氩气）液化过程的温度变化进行了试验。试验结果表明：柱面压缩液氮低温靶的温度可在一定范围进行调节控制;借助样品室顶部针阀内部的温度计,结合分批充注样品气体的方法可以很好地观测样品室液体充满状况;成功地将氩气液化,充满样品室;断开冷源和真空泵后,样品室温度可以维持93 min。     

4.2—280K宽温区低温电磁驱动式热开关实验研究

为了在低温温度标定系统中实现超宽温区控温,研制了一种以电磁力驱动的主动机械式热开关,相比常规的气隙式或者材料热胀冷缩式热开关,具有工作温区宽、响应速度快等优点。以一台两级G-M低温制冷机为冷源,搭建了温度低至4.2 K的低温热开关性能试验台。通过升降温过程中的控温对比实验,测得该热开关在50 K时闭合热导为1.5 W/K,断开热导为1.2 m W/K,开关比为1 250;在240 K时闭合热导为0.4 W/K,断开热导为0.5 m W/K,开关比为80。     

900W@4.5K低温超导测试系统分配阀箱结构设计与分析

为保证结构可靠性,采用有限元分析软件ANSYS模拟分配阀箱内部真空下的变形及应力分布,并对阀箱内部冷屏结构的应力场及温度场进行分析。结果表明:采用一种由槽钢和加强块结合的加强筋形式可以有效的防止阀箱结构失效。而采用铝制冷屏加液氮冷却盘管的形式,在外界热负荷的作用下,其表面最大温度低于80 K,其变形程度随吊杆所处圆周直径的增大而减小。     

硬X射线调制望远镜探测器标定实验制冷装置

研制了硬X射线调制望远镜探测器标定实验用制冷装置,制冷装置以液氮为冷源,包括低能探测器制冷装置(以下简称LE制冷装置)和中能探测器制冷装置(以下简称ME制冷装置),两种制冷装置结构型式基本一致,由液氮槽、导热柱、均温板和辐射屏等组成。导热柱设置在均温板和液氮槽之间以形成一定的温差,再通过加热膜对均温板进行温度调节与控制。液氮槽的温度通过调节液氮流量和加热棒的加热量调节控制。由于制冷装置体积较大,其主要技术难点是在足够快的降温速度前提下实现均温板温度在较大范围内的调节控制和较高的温度均匀性。介绍了制冷装置的结构、利用Ansys Workbench软件对其热分析数值模拟,并进行了实验测试。结果表明数值模拟和实际存在一定的差别,液氮槽温度不均匀和导热柱两端接触热阻不同等是影响均温板温度均匀性的主要因素。通过对制冷装置导热柱、导热柱接触热阻以及液氮槽加热棒的调整,两种制冷装置的均温板在193~273K范围内的控温稳定度均好于±0.1 K,温度均匀性优于1.96 K。     

传导冷却型低温超导磁体系统的设计与实验

采用4.2 K级小型低温制冷机作为冷源,可以将低温超导磁体冷却至5 K以下,使得超导磁体处在临界温度以下,从而实现无电阻运行。采用传导冷却的形式冷却超导磁体,具有系统结构简单等优点。讲述了一套采用单台1.5 W@4.2 K的制冷机作为冷源的低温超导磁体系统,其中超导磁体由三组线圈对组成,使用Nb Ti线绕制。系统自常温开机运行,约60 h后,超导磁体降温至4K,进入超导状态,可进行加电实验。当电流加载至70 A后,中心磁场强度达到4.26 T,达到设计要求。     

低温煤油结晶试验研究北大核心CSCD

针对煤油在低温下的结晶问题,设计了低温煤油结晶试验验证系统,运用低温氮气冷却和液氮冷却两种煤油冷却方式,模拟液氧煤油火箭发动机上的煤油降温流动过程及过冷煤油试验时煤油的降温情况。通过试验获取了两种冷却方式下的煤油温度、过滤器流量及过滤器前后压差。研究发现,低温氮气冷却后的煤油流经过滤器前后压差稳定,约为50—60 kPa,流阻与流量变化趋势基本吻合,未产生结晶;而液氮冷却后的煤油流经过滤器前后压差明显增大,最高可达250 kPa,且流阻存在突变现象,煤油中产生了结晶。     

获得氮三相点以下温度的新方法

一、概述液氮沸点77.3K至三相点63.1K 的温度可通过减压方法而获得,当温度达到三相点后继减压,由于固相潜热的存在以及固体氮分子不易逸出表面而使温度不再下降,因而液氮减压法最低温度是其三相点温度。但在低温物理研究中,液氮三相点以下的温区是十分诱人的,对这一温区的开拓是很有意义的。液氮三相点以下温区通常是利用液氢或液氦作冷源来获得,     

中国散裂中子源低温系统的氢降温优化研究

为了保障中国散裂中子源(CSNS)低温系统的平稳、顺利降温,减小降温过程中的压力波动,避免放气造成冷源的损失和温度的反复,研究了低温系统近两年多轮降温实验的降温曲线和数据,逐渐优化了氢降温控制逻辑。通过制冷机控制软件的升级和控制逻辑的修改,实现了300—34 K的平稳降温,使降温过程由完全不可控提升到了半可控阶段。通过34 K以下降温控制逻辑的修改和优化,实现了氢循环34—16 K的平稳降温,使整个降温过程完全平稳、可控。因此,经过长达两年的氢降温优化研究,终于找到了一种可靠的超临界氢降温方法,成功实现了CSNS低温系统的平稳、顺利降温。     

低温推进剂贮箱大面积冷屏热分析及成本优化

运载火箭低温贮箱采用大面积冷屏与多层隔热材料组成的复合结构可以有效减少低温推进剂蒸发损耗,延长低温推进剂在轨贮存时间。通过建立多层隔热材料耦合90 K大面积冷屏的传热模型,获得了引入大面积冷屏后对多层隔热材料层间温度分布及热流密度影响的变化规律,对比了采用冷屏技术和直接对液氢采用主动制冷两种方式,同等条件下采用冷屏在主动制冷系统重量和功耗方面可分别节省60%和64%。研究了低温推进剂不同在轨贮存时间和冷屏安装在多层隔热材料中不同位置时热管理系统重量和功耗成本,以成本最小为目标获得了90 K冷屏布局最优化设计方法。     

基于液氮冷源超导磁体氦气循环预冷系统设计

为了提高超导磁体300-80 K预冷过程中的降温效率和安全性,开发了一种新的预冷方法.设计了一台以液氮为冷源、氦气为循环介质的可控温预冷装置,对其内部结构进行了优化设计,包括低温风机、板式换热器、气动调节阀、翅片换热器等主要组成部分,整个装置与磁体构成一个闭合循环系统.在预冷装置的作用下,该超导磁体从300 K到80 ...     

液氮温区高温超导滤波器的漏热分析

为在液氮温区工作的高温超导滤波器的制冷机冷源选型,基于Sage 10软件对超导滤波器件的冷却装置进行了漏热分析,仿真计算了铜线和同轴线的几何参数对传导漏热量的影响,以及真空罩、冷盘的尺寸和发射率对辐射漏热量的影响,并综合上述分析计算了超导滤波系统的总漏热量。在仿真计算中发现,信号线的导热和真空罩中冷盘的辐射漏热在系统总漏热量中起主导作用。仿真计算结果表明,通过增大信号线长度、减小信号线直径的方式可将信号线漏热量降至0.72 W,约为初始导热量的1/3。与此同时,冷盘表面采用抛光镀金的方式减小表面发射率,使辐射漏热量降至原来的2/3。根据模拟计算的最优结果,选择制冷量为3 W@77 K的制冷机作为高温超导滤波器的冷源。