冷却高温超导磁体的大冷量单级G_M制冷机

冷却高温超导磁体的大冷量单级G 2M 制冷机Ξ龚领会1)　张　亮1)　肖立业2)(1)中国科学院理化技术研究所　北京　100080)(2)中国科学院电工研究所　北京　100080) 摘　要　随着高温超导磁体在电工技术方面日益广泛的应用,如高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导储能系统等,对工作在30K ～40K 、并可提供50W ～100W 制冷量的低温制冷机提出了需求。

常规的单、双级G 2M 制冷机产品不能满足高温超导磁体的冷却要求。

本文初步得到了提高单级G 2M 制冷机性能、增大40K 温度以下制冷量的方法,并在一台常规单级G 2M 制冷机上验证,获得了30W/40K 制冷量的好结果,指明了研制这种大冷量G 2M 制冷机的方向,为成功研制冷却高温超导磁体的大冷量单级G 2M 制冷机走出了第一步。

主题词　G 2M 制冷机　高温超导技术0　前　言超导历经半个多世纪以来的发展,正在从先前绘制的种种蓝图一步步转变成现实。

据国际科技界和产业界的预测,2005年～2010年将是高温超导电力技术比较全面地在全球范围内形成产业的阶段。

目前,高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机和高温超导储能系统已成功进行了试验运行,而高温超导电缆已经正式投入运行。

以高温超导电力技术为代表的高温超导应用有望在下世纪初叶全面启动。

在移动通讯方面,用于移动电话基站的高温超导滤波器也将具有广阔的应用前景。

中国科学院电工研究所也与国内多家电工企业就高温超导输电电缆、高温超导限流器、高温超导变压器等开展了联合开发研究,以期在21世纪的电工高新技术竞争中争夺制高点。

第五届国际超导工业高峰会议预测,2010年全球超导技术的产业将达250亿美元,到2020年,全球超导产业可达2440亿美元,其中电力技术方面达到800亿美元,超导磁体占1000亿美元。

在这些超导技术产业中,高温超导技术将占70%以上。

2002年第1期低　温　工　程N o 11　2002总第125期CRY OGE NICS Sum N o 1125Ξ本文于2001年10月12日收到。

龚领会,男,38岁,研究员。

2低　温　工　程2002年高温超导技术的广阔应用前景为制冷技术的发展既带来了新的机会,也提出了挑战。

虽然高温超导体的转变温度(T c)高达90K以上,但为了获得稳定的性能和高的电流密度,高温超导装置需要工作在约T c/3～T c/2温度,即(30～40)K温区,并且冷量在(50～100) W。

但是,目前还没有在(30～40)K温区可提供如此大冷量的小型紧凑制冷机。

通常,单级G2M制冷机工作温度在(60～90)K温度,制冷量为(10～60)W/77K,最低制冷温度为30K,无法在30K提供制冷量;而双级G2M制冷机虽然可达到10K制冷温度,但30K时的制冷量一般只有(10～15)W。

自1997年德国首先报道了30K提供50W制冷量的单级G2M制冷机以后,引起了国际低温超导界的重视,美国的Cry omech公司于1999年也报道了60W/30K和101W/30K两种系列的这种制冷机,但由于商业原因,均未见理论研究结果和结构参数。

我国也已开始了这种制冷机的研究工作。

2001年初中国科学院理化技术研究所在一台现有的G2M制冷机上进行了初步的性能改进实验,获得了较好的结果,最低温度达到了24K,并在40K获得了超过30W的制冷量。

在对G2M制冷循环和其蓄冷器的数值模拟和理论分析的基础上(理论分析另见论文),本文进行了初步的实验验证和研究,给出了实验结果和今后的改进方向。

1　G2M制冷机G2M制冷机是由W1E1G ifford和H1O1McMahon于1959年发明的一种结构简单、使用方便、运转可靠的小型低温回热式气体制冷机。

到60年代末已先后研制成单级、双级、三级G2M制冷机,并开始批量生产。

作为小型低温冷源广泛用于科学研究及低温电子学、红外探测器、低温泵等领域。

近年来,随着微电子工业和计算机技术的迅速发展,低温制冷机的需求量迅速增长,而G2M制冷机是国际上惟一得到工业化大批量生产的低温制冷机,年产量超过2万台,主要应用于方便可靠的冷源、低温科学仪器设备和冷凝真空等方面。

我国低温制冷机的需求量也逐年增加。

尤其是随着高温超导应用技术的不断发展,单级G2M制冷机将得到很大的发展。

目前全世界有十几个厂家有产品,其中仅美国CTI2Cry ogenics公司G2M制冷机的年产量就超过2万台。

1999年10月美国West T ech Executive Reports(West T ech market information ser2 vices),报道了高温超导滤波器在移动电话基站上的试验和潜在的应用前景,介绍了美国研制高温超导滤波器的四家公司,其中有三家采用G2M制冷机来冷却滤波器和低噪声前置放大器,充分说明了G2M制冷机的社会认知程度是很高的。

G2M制冷机结构示意图如图1。

常规的G2M制冷机产品中,单级G2M制冷机在液氮温区(77K)、双级G2M制冷机在液氢温区(20K)和液氮温区(77K)同时提供制冷量,而412K G2M制冷机在(30～50)K 和412K两个温度下提供制冷量。

制冷量的大小范围如表1所示,最低无负载制冷温度如表2所示。

图1　G 2M 制冷机结构示意图表1　各级制冷量制冷温度单级G 2M 制冷机双级G 2M 制冷机412K G 2M 制冷机77K<100W <50W 50K<30W20K<10W 412K <115W 表2　无负载制冷温度制冷温度单级G 2M 制冷机双级G 2M 制冷机412K G 2M 制冷机第一级～30K ～45K ～30K 第二级7K ～10K 216K由以上数据可以看出:常规的单、双级G 2M 制冷机产品均不能满足用于强电的高温超导磁体冷却的需要,因为现有的G 2M 制冷机产品无论如何也无法在(20～40)K 温区提供(50～100)W 的冷量。

因此,研制用于冷却高温超导磁体的大冷量单级G 2M 制冷机是非常必要的。

2　大冷量单级G 2M 制冷机211　制约单级G 2M 制冷机制冷量的原因从热力学理论和氦物性出发,单级制冷机的制冷温区应在(50～70)K,也就是说其蓄3第1期冷却高温超导磁体的大冷量单级G 2M 制冷机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100%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300K,由于低温下氦的非理想性(如图2),制冷机工作的冷热半周期氦气焓就出现不平衡(如图3),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 2M 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 2M 制冷机。

图2　氦气在低温下的密度 图3　氦气在低温下的焓但是,双级G 2M 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 2M 制冷机结构复杂、可靠性较差。

有没有方法使得单级G 2M 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?212　大冷量单级G 2M 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 2M 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50K,这两种材料的容积比热就会比铅小的多(如图4),所以,要提高低温(30K )单级G 2M 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 2M 制冷机初步实验本文在一台现有的双级G 2M 制冷机上,去掉第二级活塞,并在第二级汽缸中填以酚醛4低　温　工　程2002年树脂棒,将其改装成单级G 2M 制冷机上。

然后在第一级蓄冷器中采用磷青铜网和铅球为填料的混合填充型结构。

在数值模拟计算的指导下,通过多次实验来调整填充比例和结构,得到以下实验结果:最低无负载温度为2415K,制冷量如图5所示,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。

图4　常用材料在低温下的比热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 2M 制冷机改造而成的单级机上所得结果,所以,对于单级G 2M 制冷机而言,结构不尽合理,如:(1)存在原二级汽缸和汽缸内酚醛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。

(2)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2415K,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 2M 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。

(3)汽缸长度太短。

由于本文所要研究的单级G 2M 制冷机工作温度低,(在30K 以下,甚至要达到10K 温度),所以,汽缸和蓄冷器的冷热端温差很大(为(270～290)K ),比常规的单级G 2M 制冷机冷热端温差要大得多,这就使得沿汽缸、蓄冷器等固体材料的导热漏热加大,严重影响制冷机性能。

图5　填料对G 2M 制冷机的影响(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 2M 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G 2M 制冷机。

同时,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。

5第1期冷却高温超导磁体的大冷量单级G 2M 制冷机6低　温　工　程2002年参考文献1　Fiedler A,G erban J,Haefner H U.E fficient S ingle S tage G ifford2M acM ahon Refrigerator Operating at20K.In:Advances in Cry o2 genic Engineering.New Y ork:Plenum Press,1997:43B:1823～18302　W ang C.Advanced Cry ocooler Developments at Cry omech and Their Applications.In:Proceedings of Beijing International C on ference on Cry ogenics.Beijing,China,2000:105～1123　程德威,王惠龄,李嘉,朱玉群1超导电力科学技术与低温技术研究的现状与进展1低温工程,1999,(5):1～84　Jiang He,T ang Qixue,W ang Suyu,Ren Zhongy ou,Zhu M in,W ang Jiasu,W ang X iaorong.The Design of a HTS M aglev M easure2 ment Equipment Using20K G2M Refrigerator.In:Proceedings of Beijing International C on ference on Cry ogenics,Bejing,China, 2000:223～226A SING L E2STAGE G2M REFRIGERATOR WITH HIGHCOOLING CAPACITY FOR HTS DEVICEG ong Linghui1)　Zhang Ling1)　X iao Liye2)(1)Cry ogenic Lab,T echnical Institute of Physics and Chem istry,CAS,Beijing100080)(2)Institute of E lectrical Engineering,CAS,Beijing100080) ABSTRACT　Because the cooling of HTS device needs the cry ogenic refrigerator w orking at30K, and the development and investigation of HTS on the electrical engineering are m ore and m ore regarded, the requirement for the sigle2stage G2M refrigerator with the cooling capacity of50W/30K increases gradually.But there is no any product of the single2stage or tw o2stage G2M refrigerator which can meet the request of cooling HTS down.Thereby,in this text the experimental investigation has been done, and both a promising results and design method for this single2stage G2M refrigerator with high cooling ca2 pacity have been obtained,too.KE YWOR DS　G2M refrigerator;HTS device。