制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国电子科技集团公司第16研究所 作者:李炜

5、漏热计算:

  根据制冷机的制冷量,我们设定:一级冷屏设计温度为40K,二级冷屏设计温度为10K,计算结果由表1给出。

表1 漏热计算结果

漏热计算结果

  从以上计算结果可知:4.2K—10K温区,杜瓦的计算冷损是30.6×10-3w,只占杜瓦设计冷损值的43%,所以只要工艺过程中完全按照设计要求加工,合同规定的技术指标是可以达到的。根据制冷机制冷量的试验曲线,当制冷机二级冷头在10K时有5.4W制冷量,一级冷头在40K时有31W制冷量,所以其二级制冷量都有富裕,在实际工作过程中,二级冷屏温度有可能低于设计值,进一步减少冷损。

6、实验结果分析

6.1、杜瓦中磁体的液氮预冷试验

  由于液氦的气化潜热小,实验时为了节省液氦,先用液氮把磁体预冷到77K。例如1KG的铜,从室温冷却到液氦温度,需要冷量为79×103J,即要消耗29L液氦(只计算蒸发潜热)。如果先预冷到液氮温度,然后再冷到液氦温度,则只要冷量6×103J。相当于消耗液氦2.2L。这里我们看到,液氮完成了冷却任务的90%以上。这样就大大地节省了液氦。因为一般物质的比热在液氮温度以下都已变得很小。杜瓦加热抽真空、封结后,接着做液氮试验,所以冷屏温度略高于室温。为使磁体充分冷却,将磁体在液氮中浸泡24小时以上,磁体、冷屏降温情况如表2所示

表2 液氮预冷试验结果(制冷机不开)

液氮预冷试验结果(制冷机不开)

  从表2的结果可以看出,加液氮后,冷屏温度下降较慢。这表明杜瓦的真空、绝热做得比较好。

6.2、杜瓦中预冷液氮的排除

  首先用输液管将大液氦筒中的液氮排出,然后用机械泵对大、小液氦筒进行减压抽空。刚开始时,通过安装在磁体上的温度计显示,磁体温度迅速下降到70K以下,说明小液氦筒中还有残余液氮。通过几次充入氦气置换,再抽空,最后小液氦筒中磁体的温度开始回升。当温度上升至94K左右,我们判断小液氦筒中的液氮已经排净。

6.3、制冷机冷却杜瓦

  开制冷机冷却杜瓦12小时后,实测冷屏温度为36K/一级和10.8K/二级,都与设计屏温40K和10K基本相符。这样,杜瓦的实际冷损将会低于设计冷损。而开制冷机对磁体的温度影响不大,只有二级冷屏通过辐射、支撑的固体传导向液氦筒传递冷量,故磁体温度下降很慢。

6.4、杜瓦的液氦试验

  冷屏冷透后,开始向液氦筒加注液氦,降温情况如表3所示:

表3 液氦试验结果

液氦试验结果

  从表3的结果分析可知: 加注液氦后,磁体温度从93.7K降到4.48K(液氦筒外壁温度), 二级冷屏温度从10.8K降到7.0K, 一级冷屏温度从36K降到35K(变化不大)。分别测定输液氦后,系统稳定时(未励磁)、系统励磁时、以及系统励磁后稳定工作时的液氦蒸发率。其结果如表4所示

表4 三种情况下液氦蒸发量对照表

三种情况下液氦蒸发量对照表

  每天0.69升的液氦蒸发量指标小于合同指标(2.4升/天)。因为加注液氦后,一、二级冷屏的最终温度稳定在35K和7.0K,特别是二级冷屏温度的降低 ,减少了液氦温度级的冷损。系统励磁时,由于通有电流、可拔引线杆插入等固体导热,液氦的日蒸发量是正常工作时的21倍达到14.4升/天,而励磁结束后, 可拔引线杆拔去,其液氦蒸发量与未励磁、稳定工作时相同。

7、讨论

  从试验结果看,我们的设计是比较保守的,主要在于大液氦筒的设计余量过大。根据用户的使用要求,如液氦筒容积选为15升左右,采用厚415㎜的“竖饼式”、室温孔偏心总体结构,可免除目前大、小液氦筒总体结构连接的复杂,同时相应的低温漏热减少60%以上。可以获得接近液氦“零蒸发”的结果。

8、结论

  制冷机冷却型超导磁体杜瓦,经过中国电子科技集团公司第五研究所专家和用户的现场实际检测,其正常工作时,液氦日蒸发量为0.69升/天(20天内),磁场强度大于3T,完全满足合同指标。

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