盛榮進(jìn) 蔣久福 聶興超 周鵬博 李 婧 馬光同

(西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

1 引言

2015 年,日本低溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮列車(chē)創(chuàng)造了603 km/h的地面載人交通試驗(yàn)速度的世界記錄,證明超導(dǎo)電動(dòng)懸浮是實(shí)現(xiàn)超高速磁懸浮的可行技術(shù)之一,中國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究勢(shì)在必行。低溫容器作為電動(dòng)懸浮列車(chē)的關(guān)鍵構(gòu)件之一,對(duì)列車(chē)運(yùn)行性能有著重要的影響。相較于低溫超導(dǎo)體,高溫超導(dǎo)體運(yùn)行溫度高,有利于低溫系統(tǒng)的簡(jiǎn)化,因此,發(fā)展以高溫超導(dǎo)磁體為核心部件的電動(dòng)懸浮技術(shù)是進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行效率的理想選擇?？紤]到中國(guó)目前最長(zhǎng)的鐵路線路超過(guò)2 000 km,以600 km 級(jí)時(shí)速作為運(yùn)行速度要求,設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)大于4 h 的車(chē)載低溫容器對(duì)高溫超導(dǎo)電動(dòng)懸浮列車(chē)的發(fā)展具有重大的意義。

高溫超導(dǎo)磁體的最佳運(yùn)行溫度區(qū)間為20—40 K。在這一溫區(qū)下,固氮熱容大、電絕緣性好,并且其固固相變發(fā)生在35.6 K,可以額外吸收相當(dāng)大的能量[1](8.2 J/cm3),是一種優(yōu)質(zhì)的低溫制冷劑。固氮的制取方式主要有液氦傳導(dǎo)冷卻、真空減壓冷卻、制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻。相對(duì)于另外兩種方式,制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻的方式雖然冷卻效率較低,但是其冷卻過(guò)程中無(wú)需液氦,且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,操作簡(jiǎn)便,是目前制取固氮較為理想的方式[2]。同時(shí),當(dāng)固氮冷卻至工作溫區(qū)后,采用制冷機(jī)可插拔結(jié)構(gòu)能夠有效降低車(chē)載低溫容器的體積和重量。

基于上述概念,Lee 等[3]在2019 年設(shè)計(jì)出可插拔式制冷機(jī)冷卻固氮作為“熱電池”冷卻高溫超導(dǎo)磁體的低溫容器,該系統(tǒng)加入3.7 L 液氮,且制冷機(jī)脫離后容器在34—36 K 工作溫區(qū)的溫升時(shí)間約為60 min;黃振等[4]在2019 年設(shè)計(jì)出可插拔式制冷機(jī)冷卻固氮低溫容器,其系統(tǒng)加入11.1 L 液氮,通過(guò)在磁體之間加入高熱導(dǎo)率冷卻板形成一種“夾層”結(jié)構(gòu),制冷機(jī)脫離后在27—40 K 溫區(qū)溫升時(shí)間為約8.6 h。馬光同等[5]在2019 年設(shè)計(jì)出可插拔式制冷機(jī)冷卻固氮低溫系統(tǒng),制冷機(jī)脫離后26 L 固氮在20—40 K 溫區(qū)的溫升時(shí)間為8.5 h。

然而,上述研究都未能實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的完全脫離,并未有效降低系統(tǒng)得體積與重量。針對(duì)這一問(wèn)題,綜合考慮固氮的相變特性及制冷機(jī)的降溫效率,本文選取34—40 K 作為超導(dǎo)磁體的工作溫區(qū),設(shè)計(jì)并制作了制冷機(jī)可完全插拔的固氮低溫容器。為提升容器的降溫速率和保溫性能,對(duì)低溫容器的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)冷介質(zhì)進(jìn)行了優(yōu)化,并對(duì)比了制冷機(jī)拔離與未拔離狀態(tài)下固氮低溫容器的保溫性能,結(jié)果表明選取TFX 導(dǎo)熱硅脂可以顯著改善降溫效果,同時(shí)制冷機(jī)拔離可以明顯延長(zhǎng)固氮的溫升時(shí)間。此外,為模擬制冷機(jī)拔離狀態(tài)下超導(dǎo)磁體閉環(huán)運(yùn)行過(guò)程中的熱損耗對(duì)固氮溫升的影響,利用銅線圈產(chǎn)生的熱量來(lái)代替超導(dǎo)磁體的熱損耗,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在熱損耗為5 W 的情況下,固氮低溫容器的保溫時(shí)間為6.2 h,滿足設(shè)計(jì)要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)表1 中超導(dǎo)磁體的原型尺寸設(shè)計(jì)制冷機(jī)可插拔式跑道型固氮低溫容器,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示,主要包括外腔體、液氮輻射屏、一級(jí)輻射屏、液氮盒、固氮腔、可插拔式二元電流引線、G-M 雙級(jí)制冷機(jī)、雙級(jí)波紋管、液氮進(jìn)出管、各引線管道、支撐桿、導(dǎo)冷塊等。其中,導(dǎo)冷塊、輻射屏采用熱導(dǎo)率較高的黃銅制成;二元電流引線由銅引線和超導(dǎo)引線兩部分組成;支撐桿采用熱導(dǎo)率較低的玻璃鋼制成;剩余部分均采用強(qiáng)度較高的不銹鋼制成。

表1 超導(dǎo)磁體的尺寸[6]Table 1 Dimensions of superconducting magnets

圖1 可插拔式跑道型固氮低溫容器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of structure of racetrack SN2 cryostat with detachable cryocooler

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了縮短固氮的降溫時(shí)間同時(shí)延長(zhǎng)固氮工作溫區(qū)的保溫時(shí)間,從減少容器的漏熱和減少導(dǎo)熱路徑上的接觸熱阻兩個(gè)角度開(kāi)展優(yōu)化工作。首先,如圖1所示,在二級(jí)冷頭上、下導(dǎo)冷塊的連接位置采用雙級(jí)波紋管結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在不破壞容器真空夾層真空度的前提下將制冷機(jī)完全脫離容器,減少容器重量的同時(shí)還可以消除制冷機(jī)停止運(yùn)行后自身的傳導(dǎo)漏熱;其次,為減少電流引線管道、傳感器信號(hào)引線管道、液氮進(jìn)出管、支撐桿的傳導(dǎo)漏熱,通過(guò)固定在一級(jí)輻射屏上的銅板將各管道和支撐桿與一級(jí)輻射屏連接,為各管道和支撐桿提供一個(gè)中間截流溫度(～50 K),從而減少各管道和支撐桿的傳導(dǎo)漏熱,各熱沉的位置如圖2 所示。

圖2 低溫容器中各管路和支撐桿的熱沉位置Fig.2 Heat sink position of each line and support rod in cryostat

2.2 導(dǎo)冷介質(zhì)優(yōu)化

雖然采用雙級(jí)波紋管結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的完全拔離,但是其在二級(jí)冷頭與上導(dǎo)冷塊以及上、下導(dǎo)冷塊之間形成的接觸界面將會(huì)增加降溫過(guò)程中制冷機(jī)導(dǎo)冷路徑上的接觸熱阻,不利于降溫效果。接觸熱阻的主要影響因素包括:界面載荷、界面粗糙度、界面溫度、界面殘留空氣、中間介質(zhì)等[7]。因降溫過(guò)程處于真空環(huán)境,所以界面殘留空氣的影響忽略不計(jì)。在界面載荷、界面粗糙度和界面溫度都一定的條件下,中間介質(zhì)的選擇對(duì)于減小接觸熱阻有著重要的影響。常用中間介質(zhì)的材料有導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠、導(dǎo)熱墊片、相變合金等[9]。導(dǎo)熱凝膠厚度較高且導(dǎo)致接觸熱阻較大,因此本研究采用的中間介質(zhì)將在填充性更好、可替換的導(dǎo)熱硅脂與熱導(dǎo)率高、延展性好的銦片之間進(jìn)行選擇。

為了在二級(jí)冷頭與上導(dǎo)冷塊之間選擇最合適的導(dǎo)熱介質(zhì),在相同的界面載荷、界面粗糙度、界面溫度下,對(duì)導(dǎo)熱硅脂TC-KS101、TFX、TF8、銦片以及無(wú)介質(zhì)5 種情況下分別進(jìn)行了90 min 的降溫實(shí)驗(yàn),圖3展示了不同條件下下導(dǎo)冷塊的最低溫度,可以看出有介質(zhì)的情況下,下導(dǎo)冷塊的最低溫度都低于無(wú)介質(zhì)的情況,然而由于各實(shí)驗(yàn)所處室溫不同,其初始溫度也有所不同。因此要準(zhǔn)確判斷各介質(zhì)導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣,還需要比較其起始和最低溫度的溫差。如表2 所示,TFX 導(dǎo)熱硅脂具有最優(yōu)的降溫效果,因此,本文選擇TFX 導(dǎo)熱硅脂作為導(dǎo)冷介質(zhì)。

圖3 不同的導(dǎo)冷介質(zhì)90 min 降溫曲線Fig.3 Cooling curves of different cooling medium in 90 minutes

表2 不同種類介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)起始和最終溫度以及二者溫差Table 2 Initial and final experimental temperatures of different kinds of medium and temperature difference

3 漏熱計(jì)算和固氮溫升仿真

3.1 傳導(dǎo)漏熱

為分析低溫容器中固氮的溫升時(shí)間,需要對(duì)容器的漏熱進(jìn)行估算。固氮低溫容器的漏熱主要包括:傳導(dǎo)漏熱、輻射漏熱、對(duì)流漏熱。固氮低溫容器工作過(guò)程中其自身的真空度約為10-4—10-5Pa,因此對(duì)流漏熱可以忽略不計(jì)。傳導(dǎo)漏熱主要包括支撐桿件、電流引線以及各管道的傳導(dǎo)漏熱,可以通過(guò)傅里葉定律來(lái)計(jì)算[11],傳導(dǎo)漏熱各部件的計(jì)算參數(shù)如表3 所示,當(dāng)傳導(dǎo)漏熱為沿均勻細(xì)棒的漏熱時(shí):

表3 傳導(dǎo)漏熱部件及其參數(shù)Table 3 Conducting heat leakage components and their parameters

式中:Qcond為傳導(dǎo)漏熱量,W;為平均熱導(dǎo)率,W/(m·K);A和l分別為垂直于傳熱方向的物體截面積和長(zhǎng)度,m2、m;T1、T2分別為物體高溫端溫度和低溫端溫度,K。

當(dāng)傳導(dǎo)漏熱為n段沿不同截面積不同材料的物體的漏熱時(shí),結(jié)構(gòu)如圖4 所示,其漏熱可以表示為:

圖4 n 段不同截面積不同材料的物體Fig.4 N objects of different cross-sectional areas and different materials

式中:T0、Tn分別為物體低溫端和高溫端溫度,K;Wi為第i段材料的熱阻,K/W;li、i、Ai分別為第i段材料的垂直于傳熱方向的長(zhǎng)度、平均熱導(dǎo)率、橫截面積,m、W/(m·K)、m2。

3.2 輻射漏熱

利用Stefan-Boltzmann 方程對(duì)低溫容器的輻射漏熱進(jìn)行計(jì)算,其輻射漏熱各部件的計(jì)算參數(shù)如表4 所示,輻射漏熱表示為:

表4 輻射漏熱部件及其參數(shù)Table 4 Radiant heat leakage components and their parameters m2

式中:Qrad為輻射漏熱量,W;σ為Stefan-Boltzmann 常數(shù),5.67 ×10-8W/(m2·K4);ε1、ε2分別為低溫端物體和高溫端物體的發(fā)射率;A1、A2、T1、T2分別為低溫端和高溫端物體的工作面積和溫度,m2、K。

3.3 整體漏熱與固氮溫升

由3.1 和3.2 計(jì)算得出固氮低溫容器的整體漏熱,如表5 所示。

表5 固氮低溫容器的整體漏熱Table 5 Overall heat leakage of SN2 cryostat W

在固氮低溫容器的保溫過(guò)程中,固氮腔中加入39 400 cm3的固氮,此時(shí)假定固氮溫升為等溫域變化過(guò)程,為根據(jù)上述計(jì)算出的總漏熱來(lái)估算固氮的保溫時(shí)間,由式(5)、(6)計(jì)算固氮在34—40 K 的焓變[8],其中包含固氮α-β固-固相變的額外潛熱8.2 J/cm3。

式中:Ti、Tf、分別為固氮溫度變化中的初始溫度和最終溫度,T;Cp為固氮的熱容,J/(cm3·K);Δh為固氮的焓變,J/cm3。

式中:Δt為溫升時(shí)間,s;VSN2為固氮的體積,cm3;Δh為焓變,J/cm3;Qtot為總漏熱,W。

由式(5)、式(6)計(jì)算出39 400 cm3的固氮在34—40 K 溫區(qū)固氮的總能量為650.1 kJ[8]。為更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)超導(dǎo)磁體實(shí)際運(yùn)行時(shí)的保溫時(shí)間,通過(guò)繞制與超導(dǎo)線圈同尺寸的銅線圈代替超導(dǎo)線圈放置于固氮腔中。在相同的溫度范圍內(nèi),固氮腔和銅線圈的總能量為23.95 kJ,容器總能量為674.05 kJ。當(dāng)固氮達(dá)到目標(biāo)溫度后,未拔離制冷機(jī)時(shí)漏熱為17.5 W,由式(7)計(jì)算出固氮從34—40 K 的溫升時(shí)間為10.7 h;制冷機(jī)拔離時(shí)的總漏熱為15.2 W,固氮相同溫區(qū)的溫升時(shí)間為12.3 h。

超導(dǎo)磁體閉環(huán)運(yùn)行過(guò)程中,接頭電阻的焦耳熱、磁體交流損耗以及固氮腔渦流損耗的存在對(duì)固氮的保溫時(shí)間產(chǎn)生明顯的影響。為了評(píng)估運(yùn)行狀態(tài)下低溫容器的保溫時(shí)間,通過(guò)電流引線對(duì)固氮腔中的銅線圈通入直流電,使其產(chǎn)生5 W 熱損耗[5],用來(lái)代替上述超導(dǎo)磁體實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的熱損耗。此時(shí),電流引線處于通流狀態(tài),引線處于超導(dǎo)狀態(tài)焦耳熱無(wú)需考慮,但需要考慮其傳導(dǎo)漏熱,所以固氮腔的總漏熱為26.8 W,由式(7)計(jì)算出固氮在相同溫區(qū)的溫升時(shí)間為7 h。

3.4 固氮溫升仿真計(jì)算

為了驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,本節(jié)通過(guò)有限元仿真對(duì)固氮的溫升進(jìn)行模擬,圖5 為固氮區(qū)域熱分析的三維模型。仿真計(jì)算中主要考慮了傳導(dǎo)和輻射漏熱對(duì)固氮溫升的影響,并采用等效熱容法[9]分析了固氮的固固相變過(guò)程,整個(gè)部件的初始溫度由工作溫區(qū)的初始溫度確定,其仿真溫升結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出制冷機(jī)未拔離時(shí),固氮在34—40 K 溫區(qū)的溫升時(shí)長(zhǎng)為10.4 h;制冷機(jī)拔離時(shí),固氮在相同溫區(qū)的溫升時(shí)長(zhǎng)為11.6 h;制冷機(jī)拔離后同時(shí)考慮熱損耗為5 W 時(shí),相同溫區(qū)的溫升時(shí)長(zhǎng)6.8 h。通過(guò)將仿真的結(jié)果和計(jì)算結(jié)果比較,可以看出仿真計(jì)算與理論計(jì)算的誤差在10% 以內(nèi),驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。而仿真保溫效果略差于理論計(jì)算的主要原因可能是因?yàn)榉抡嬷胁捎闷骄鶞囟却嬲麄€(gè)固氮的溫度,與漏熱計(jì)算所采用得等溫域計(jì)算存在一定的偏差。

圖5 固氮區(qū)域3D 熱分析模型Fig.5 3D thermal analysis model of SN2 region

圖6 未拔制冷機(jī)、拔離制冷機(jī)、外加5 W 熱損耗3 種不同條件下固氮平均溫度的溫升仿真結(jié)果Fig.6 Temperature rise simulation results of average temperature of SN2 under three different conditions:unpulled cryocooler,pulled cryocooler,additional 5 W heat loss

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 固氮降溫實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步說(shuō)明本文設(shè)計(jì)裝置的良好保溫效果,開(kāi)展了如圖7 所示的固氮低溫容器實(shí)驗(yàn),研究容器的降溫和保溫性能。固氮低溫容器中各部分的溫度變化,由溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如圖1 和圖8 中T1—T9所示。在安裝制冷機(jī)的過(guò)程中,分別在制冷機(jī)一級(jí)冷頭的上、下導(dǎo)冷塊以及二級(jí)冷頭和上導(dǎo)冷塊之間涂抹TFX 導(dǎo)熱硅脂以減少二者之間的接觸熱阻,提升降溫速率。

圖7 跑道型固氮低溫容器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.7 Experimental device of racetrack SN2 cryogenic vessel

圖8 固氮腔中傳感器位置分布情況Fig.8 Sensor distribution in SN2 chamber

實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程如下:(1)在開(kāi)啟制冷機(jī)之前,向液氮盒中加入液氮,對(duì)液氮輻射屏進(jìn)行預(yù)冷處理;(2)向固氮腔中加入液氮,并實(shí)時(shí)觀察固氮腔高位溫度傳感器的溫度變化,待其溫度降至77 K 時(shí),說(shuō)明固氮腔中液氮已經(jīng)達(dá)到液位要求?？紤]到降溫過(guò)程液氮有一定的消耗,所以液氮達(dá)到液位要求后繼續(xù)加入少量過(guò)量液氮。(3)預(yù)冷結(jié)束后,開(kāi)啟制冷機(jī)對(duì)固氮腔液氮進(jìn)行降溫,降溫過(guò)程中因?yàn)橐旱椛淦粮綦x大量的輻射熱,因此液氮盒中液氮消耗較多,需要及時(shí)加入液氮,該過(guò)程使得液氮冷屏的溫度出現(xiàn)一定的波動(dòng)。

由圖9 可以看出,通過(guò)制冷機(jī)的持續(xù)降溫,在185 h 后固氮高、低位的溫度均穩(wěn)定在34 K;而液氮輻射屏的溫度維持在125 K 左右,與液氮盒溫度77 K有較大的溫差,其主要原因是因?yàn)檩椛淦潦峭ㄟ^(guò)螺栓與液氮盒下部的法蘭連接,而輻射屏是厚度僅為3 mm的銅板制作而成,安裝過(guò)程中易產(chǎn)生形變,導(dǎo)致輻射屏與液氮盒下部法蘭部分形成點(diǎn)連接,從而導(dǎo)致二者之間溫差過(guò)大。針對(duì)這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)容器時(shí)在液氮輻射屏和固氮腔之間再加入了一層輻射屏,且由制冷機(jī)的一級(jí)冷頭直接冷卻,其溫度為50 K 左右,能夠大大的降低輻射漏熱。此外,制冷機(jī)的二級(jí)冷頭(7 K)與下導(dǎo)冷塊(28 K)之間也存在較大的溫差。造成這一現(xiàn)象的原因可能是:在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)完全拔離低溫容器,二級(jí)冷頭處的上、下導(dǎo)冷塊分別連接在兩個(gè)不同的波紋管上以形成容器中的真空夾層,導(dǎo)致了上、下導(dǎo)冷塊的接觸面處于真空環(huán)境中,無(wú)法加入導(dǎo)熱介質(zhì)以減少二者之間的接觸熱阻。

圖9 固氮低溫容器降溫實(shí)驗(yàn)Fig.9 SN2 cryogenic vessel cooling experiment

從圖9 可以發(fā)現(xiàn),液氮在17 h 時(shí)到達(dá)63.1 K 開(kāi)始進(jìn)入固液相變狀態(tài),在達(dá)到63.1 K 之前導(dǎo)冷塊的溫度和液氮的溫度幾乎同時(shí)下降,但是在固液相變點(diǎn)后二者的溫差逐漸增大,這是由于液氮變?yōu)楣痰髮?dǎo)冷塊和固氮的接觸條件變差,導(dǎo)致冷量傳遞效率降低。此外,觀察到在45 h 左右時(shí),導(dǎo)冷塊以及固氮的降溫速度迅速增快,且二級(jí)冷頭的溫度急劇上升,造成此現(xiàn)象的主要原因是由于二級(jí)冷頭材料為銅,而波紋管的材料為不銹鋼,二者受冷收縮率不同,導(dǎo)致二級(jí)冷頭和導(dǎo)冷塊的接觸情況變差,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)進(jìn)一步擰緊勾型螺栓改善二者接觸條件,降溫效果明顯提升。

4.2 固氮升溫實(shí)驗(yàn)

由圖10 可以看出,在制冷機(jī)未拔離的情況下,固氮腔中固氮低位溫度增長(zhǎng)最快,34—40 K 的溫升時(shí)間為9.1 h;由圖11 看出,在制冷機(jī)拔離的情況下,固氮低位溫度在相同溫區(qū)的溫升時(shí)間為10.5 h;由圖12 看出,制冷機(jī)拔離后同時(shí)考慮熱損耗為5 W 的情況下,固氮低位溫度相同溫區(qū)的溫升時(shí)間為6.2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明3 種情況下保溫時(shí)長(zhǎng)不同程度低于仿真和計(jì)算值,造成這種現(xiàn)象的原因可能是:當(dāng)固氮低位溫度達(dá)到40 K 時(shí),固氮中心靠近磁體的部位溫度在35 K 左右,固氮中存在溫差從而使固氮的固固相變不能同時(shí)發(fā)生,從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的保溫時(shí)長(zhǎng)低于仿真和計(jì)算值。

圖10 未拔離制冷機(jī)固氮升溫實(shí)驗(yàn)Fig.10 SN2 temperature rise experiment before cryocooler is pulled out

圖11 拔離制冷機(jī)固氮升溫實(shí)驗(yàn)Fig.11 SN2 temperature rise experiment after cryocooler is pulled out

圖12 外加5 W 熱損耗固氮升溫實(shí)驗(yàn)Fig.12 SN2 temperature rise experiment after cryocooler is pulled out with additional 5 W thermal loss

通過(guò)對(duì)比制冷機(jī)未拔離和拔離時(shí)固氮的溫升時(shí)間,可以看到在制冷機(jī)拔離后,固氮工作溫區(qū)的溫升時(shí)間延長(zhǎng)了1.4 h,相較于未拔離制冷機(jī)時(shí)溫升時(shí)長(zhǎng)提升了15.3%。在固氮溫升的解析計(jì)算中,拔離制冷機(jī)比未拔離制冷機(jī)的溫升時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)了14.9%,二者幾乎相同,證明了計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,同時(shí)也證明了將制冷機(jī)拔離低溫容器可以有效延長(zhǎng)固氮的溫升時(shí)長(zhǎng)。

外加5 W 熱損耗時(shí)需要外加直流電源供給電流,因此電流引線的傳導(dǎo)漏熱無(wú)法避免。從圖12 中可以看出固氮在34—40 K 溫區(qū)的溫升時(shí)間為6.2 h,而仿真值為6.8 h,引起二者差異的原因同樣是因?yàn)楣痰獪囟却嬖谔荻?導(dǎo)致固固相變未能同時(shí)發(fā)生而造成的。

5 結(jié)論

采用雙級(jí)波紋管的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)的完全脫離,并通過(guò)在各管道和支撐桿增加熱沉,有效減少了系統(tǒng)漏熱,延長(zhǎng)了固氮的保溫時(shí)長(zhǎng)。同時(shí),采用低溫下熱導(dǎo)率更高的TFX 導(dǎo)熱硅脂作為二級(jí)冷頭和上導(dǎo)冷塊的中間介質(zhì)可以明顯提高降溫速率。并且,通過(guò)制冷機(jī)未拔離與拔離時(shí)的升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,得出當(dāng)制冷機(jī)拔離時(shí)可以使固氮保溫時(shí)長(zhǎng)提升約15.3%。此外,在制冷機(jī)拔離狀態(tài)下,通過(guò)給銅線圈通入直流電模擬超導(dǎo)磁體閉環(huán)運(yùn)行時(shí)給低溫容器帶來(lái)的熱損耗,升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)熱損耗為5 W 時(shí),固氮工作溫區(qū)的保溫時(shí)長(zhǎng)為6.2 h 大于4 h 的運(yùn)行時(shí)間設(shè)計(jì)要求。

研究中所提到的液氮固化后與下導(dǎo)冷塊的接觸條件變差,液氮冷屏與液氮盒接觸情況較差,以及二級(jí)冷頭與下導(dǎo)冷塊溫差過(guò)大的情況將在下一代雙磁體跑道型固氮低溫容器中進(jìn)一步改善。