冷却高温超导磁体的大冷量单级G-M制冷机
2016-02-27
2大冷量单级G-M制冷机2.1制约单级G-M制冷机制冷量的原因1从热力学理论和篇物性出发m单级制冷机的制冷温区应在S(50 e!也就是说其蓄冷器冷热端的温度范围应在(50~300)K之间,这样可得到较高的制冷效率。因为,在(50~300)K温区氦的物性如密度、黏度、焓 等几乎都是温度的线性函数,可认为氦气是理想气体这时蓄冷器的冷热端的换热温差基本相同,只要蓄冷器的比热和传热足够好,理论上可获得iro%的效率。如 果制冷机工作在20K以下,甚至到10K温度,而蓄冷器的热端仍在300IK由于低温下氦的非理想性(如),制冷机工作的冷热半周期氦气焓就出现不平衡 (如),在蓄冷器冷端产生较大的温差,就会使蓄冷器的效率大大降低。因此,常规单级G-M制冷机工作温度通常在50K以上,如需低于50K的制冷温度,常 常采用双级G-M制冷机。

但是,双级G-M制冷机低温级制冷量较小,对于工作在(30~40)K的高温超导磁体的冷却显然是不够的;而 且,第一级冷量不能得到有效利用(通常仅用作冷屏冷源),使制冷系统的实用效率大大降低;同时双级G-M制冷机结构复杂、可靠性较差。有没有方法使得单级 G-M制冷机既能工作在30K乃至更低的温度而且有足够大的制冷量,又能使制冷机具有较高的效率呢,2.2大冷量单级G-M制冷机的设计思想为了改善制冷 机性能,我们通过增加蓄冷器填料热容,优化填充结构,进而提高蓄冷器效率的途径,解决这一制冷温度与效率之间的矛盾。

通常单级G-M制 冷机的蓄冷器中填料选用磷青铜网或不锈钢丝网,这两种材料在50K以上温区具有最大的容积比热,但如果制冷机工作温度低于50IK这两种材料的容积比热就 会比铅小的多(如),所以,要提高低温(0K)单级G-M制冷机的效率,显然是在蓄冷器中50K以下温区填充铅球。这样以来,蓄冷器就成为多层混合填料型 结构,不同填料的比例、填充率将对制冷机的性能产生很大影响。因此,我们通过数值模拟,进行理论计算和分析,得到了初步的填充结构对制冷机性能的影响和产 生损失的原因和混合填料型蓄冷器的填充方法和原则。

3大冷量单级G-M制冷机初步,在40K制冷量达到30W,比单一填料型蓄冷器结构制冷机,其冷量提高了~30%.效果明显提高。

-一i-垌4存在问题和下一步工作由于本文的实验是在一台双级G-M制冷机改造而成的单级机上所得结果,所以,对于单级G-M制冷机而言,结构不尽合 理,如:存在原二级汽缸和汽缸内酚醒树脂棒热、容和导热漏热的影响,以及原二级中存在的死隙中气体的泵气损失的影响。f常用材料在低温下的比热蓄冷器的容 积不足。根据计算蓄冷器应更大一些,但由于现有结构的限制,而未能填充更多的蓄冷材料,使得蓄冷器效率不高,这表现在制冷机无负载温度只能到245K而不 能更低,关于这一点,我们在一台汽缸直径略小的单级G-M制冷机上得到了验证,在这台单级制冷机上我们获得了12K的最低制冷温度。

(4)冷头换热器结构不合理。由于在30K温度制冷量的增大,使原有结构的冷头换热的传热能力相对不足,引起了传热损失。

因此,下一步工作将从主要解决以上几个问题入手,结合数值计算分析结果,重新设计一台结构更适合于低温大冷量的单级G-M制冷机,然后通过混合蓄冷器中 填料结构的优化,研制出最低温度达到15K以下、在30K制冷量达到40W以上的基本能满足高温超导磁体冷却的大冷量单级GM制冷机。问时,总结出这种制 冷机的设计原则和方法,为我国的高温超导磁体的应用打下基础。