12 T/50 mm无液氦超导磁体低温系统热分析

为了使12 T/50 mm无液氦超导磁体在4.5 K低温下具有更好的运行稳定性,针对磁体线圈设计了传导冷却结构及低温系统。通过仿真软件,模拟低温环境下磁体线圈的温度分布,进一步对低温系统内部的导热结构进行优化设计。为了防止线圈在降温过程中产生过大温差导致热应力集中,根据低温系统在不同工况下的热负荷变化,对各部件降温过程进行瞬态模拟。模拟结果表明,12 T/50 mm无液氦超导磁体低温系统能够满足磁体线圈所需要的低温环境,即磁体线圈正常运行温度低于4.5 K,励磁温度低于6 K,降温及励磁过程中产生的最大温差低于20 K。     

高温超导SMES磁体直接冷却的热分析

用G-M制冷机(5W/20K)将Bi2223带材绕制的SMES超导磁体,在10-3Pa真空度下,从常温300K左右冷却到25K,得到了磁体冷却过程速率和磁体温度分布.在实验研究超导磁体降温特性的基础上,对SMES磁体的冷却过程进行了热分析,实验研究表明为使超导磁体有效地冷却和稳定运行,除了减小磁体漏热和其内部发热,有效控制热传导部件间的接触界面热阻是高温超导直接冷却磁储能装置研发应用中的关键技术问题.     

用于环形正负电子对撞机探测器超导磁体的小型氦虹吸回路实验与数值模拟研究

在探测器超导磁体的低温系统预研中,搭建了小型的氦虹吸冷却回路实验系统,进行了气-液两相沸腾和传热特性实验研究,并利用VOF多相流模型模拟计算了氦的热虹吸自然冷却循环过程和过热烧干过程。在相同条件下,模拟计算结果与实验数据进行了比较,模拟计算得到的的温度分布、璧面过热度与实验测量数据符合度较好。     

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。     

40-T混合磁体外超导线圈迫流氦流动摩擦系数分析

40-T混合磁体外超导磁体使用4.5 K超临界氦进行迫流冷却。迫流氦在管内电缆导体(CICC)内的流动过程受到摩擦阻力的影响会造成一定的压降和热量产生,同时由外界带来的热量也会由迫流氦带走来让磁体保持在超导温区。使用了超导磁体实际运行过程中的实验数据计算不同导体结构下雷诺数与摩擦系数的变化关系,利用Katheder经验公式对实验的摩擦系数进行了重新拟合,给出了适用于该导体摩擦系数的经验公式。     

7.7 T超导磁体冷却液体理论与实际消耗量对比分析

以7.7 T超导磁体为载体,分析了其在采取液氮预冷、液氦浸泡的冷却方式时,冷却液体理论消耗量与实际消耗量的差别。结果表明预冷过程中液氮和液氦的实际消耗比理论计算值分别多140 L、48 L,主要与输液管道的保温效果和密封性、冷却液体焓变的利用率和满足实验的特别要求等因素有关。     

1.8K常压超流氦低温系统的设计与分析

中国科学院等离子体物理研究所ITER CC导体测试装置背景超导磁体,由4.2 K液氦浸泡冷却,能够提供7 T背景场,为了满足超导导体测试需要更大背景场(10 T)的要求,将采用1.8 K超流氦浸泡冷却。针对该测试装置的低温系统设计了一种1.8 K常压超流氦低温系统,给出了该系统的关键组成部分并对获取1.8 K常压超流氦的流程进行了分析。针对预冷与节流相结合获取1.75 K超流氦方案进行了分析和计算,同时针对此方案给出了其物理过程的T-s图,计算了1.75 K超流氦液体得率。     

YH-50型液氦容器的绝热计算

本文叙述了液氦容器的设计特点,对三种不同型式的气体冷却屏进行了分析比较,提出了基于实验数据的低温容器颈管传热的简便计算方法,并以50立升液氦容器为实例,进行了高真空-多层气体屏绝热结构的热力计算。50立升的YH-50型液氦容器的实测日蒸发率为3.2、3.5%,与计算结果相符合。     

环形正负电子对撞机大型探测器超导磁体虹吸实验初步研究

对环形正负电子对撞机大型探测器超导磁体拟采用的低温虹吸实验进行了研究,通过液氮虹吸实验发现了倾斜角度对虹吸换热效果的影响。热虹吸管在15°时换热效果最佳(最大换热温差在4 K内),倾角增大,热虹吸管冷热端温差逐渐增大。对液氦虹吸实验装置进行设计和搭建,并进行了初步探索,研究发现蒸发侧热负荷为0.5 W时,管路换热温差为1.2 K,且装置本体漏热为0.5 W。     

阶跃压力变化下液氦汽化实验的动态特性

提出了氦汽化实验中压力变化影响的动态分析结果。与时间相关的边界条件下扩散方程的通解被用来描述变化压力下液氦系统的动态响应。同时还得到了阶跃压力变化下的特殊情况下的题解。计算的液体温度响应值表明，大多数实验由于液氦的低导热性而不太可能达到平衡状态。初始液化或汽化速率较大，但随时间急剧下降。推荐了一种计算瞬态效应的方法，根据氦汽化实验计算热损率过程中对该法进行了观察。采用完全无混合的假设，本文的分析方法提供了一种计算系统内压力增大或减小时引起的热损率上限（液化）和下限（汽化）方法。以前报告的平衡分析方法适用于主液柱内完全混和状况并提供相反的约束条件。     

超流氦杜瓦密封技术研究

介绍了超流氦制冷技术的现状与发展趋势,对超流氦特性、超流氦杜瓦技术以及密封技术进行了分析与研究,设计了多种密封结构,对5种纯金属和4种法兰结构分别在液氮、液氦温度下进行了密封性能实验,并取得了较好的实验结果,在液氦温度下,实测漏率≤(2～3)×10-8Pa·L/S.     

过冷态超流氦恒温器的热力学分析

对过冷态超流氦恒温器的热力学过程进行分析,考察了不同的设计温度和J-T换热器热效率下恒温器的制冷性能,得到了理论制冷量的变化曲线.结果表明,理论制冷量与设计温度和J-T换热器的热效率密切相关.计算发现,160 L液氦在2W制冷量下从4.2K降至1.8K大约需要24 h.     

高温超导交流磁体气冷电流引线的优化设计和实验

通过研究交流超导磁体气冷电流引线两段式模型的优化设计,使得其向低温系统的漏热达到最小,并自行设计热测法实验装置进行了实验研究.结果表明在引线顶端温度为300 K、引线下端温度为77 K、引线传输电流为460 A的情况下,得到最佳引线直径为7.9 mm,与实验值8 mm符合.对交流电流引线的趋肤效应进行了分析和讨论.     

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 ...     

真空条件下硫蒸气的从头算分子动力学模拟

为研究硫在高温、真空下的结构、稳定性与蒸发性质,对气态硫中S1~8进行了高温、真空条件下反应的热力学计算,得到其在1273~2073 K,10 Pa的条件下可能发生反应的吉布斯自由能变。采用基于密度泛函理论中的广义梯度近似计算得到S2~8的基态结构,并采用从头算分子动力学的方法模拟其在高温、真空下经10.0 ps后的结构和稳定性的变化,并计算给出S2分子的蒸发性质。计算结果表明:硫蒸气在高温、真空下主要以S2分子形式存在;且随着温度的升高,较多原子组成的硫分子稳定性降低,更易于生成更少原子组成的硫分子;S2分子在高温、真空下的蒸发性质可近似作为硫蒸气对应蒸发性质实验数据的参考值。     

EAST装置2 kW/4.5 K氦制冷机透平膨胀机的测试

EAST装置于2006年成功进行工程调试和物理实验,全部超导磁体均已冷却到液氦温度,并获得了第一次等离子体.低温系统共有4台俄制氦透平膨胀机,通过气体绝热膨胀来获得低温.实验表明4台透平的设计满足EAST装置对冷量的需求,透平效率略低于设计值,流量比设计值大.介绍了EAST低温系统中4台透平膨胀机的设计参数、启动过程和运行,并对透平膨胀机在运行过程中的性能参数进行测试和分析.     

4.2 K温区1瓦级脉管制冷机的实验研究

小型回热式低温制冷机中的冷端换热器在制冷量高效传输过程中起着至关重要的作用,而这一作用往往被忽视.研究发现,通过脉管冷端换热器的结构改进,液氦温区脉管制冷机在4.2 K温区的制冷量可以得到显著提高.实验结果表明,在压缩机输入功率分别为4.8 kW和6.0 kW的条件下,双向进气型二级脉管制冷机在4.2 K获得了760 mW和900 mW的制冷量,相应的制冷系数(COP)为1.58×10-4和1.50×10-4.该脉管制冷机在4.2 K获得的最大制冷量达960 mW.     

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。     

无源器件噪声标准值计算方法的研究

对于矢网中噪声选件计量过程所急需的噪声标准值计算方法展开了研究。报告了无源器件噪声标准值的含义和现有计算方法的特点,并通过现有的两种方法和不同温度条件的实验数据,对比分析了噪声标准值与环境温度、无源器件S参数的关系。基于无源器件噪声模型,提出一种包含温度参数的新型矢量计算方法。在290 K环境温度下,该方法与商业化软件计算结果的最大偏差在10^-4~10^-5量级,在297 K环境温度下,噪声系数标准值计算准确度提高了0.08 dB左右,同时实验证明了环境温度对于最佳源反射系数的幅值和相位几乎没有影响。     

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。