制冷机直接冷却的超导磁体系统在超导磁悬浮列车上的应用

制冷机直接冷却的超导磁体系统在超导磁悬浮列车上的应用

毛超利，安超帅，金酣，邬银杰

摘要：近几年来，超导磁悬浮列车给我们带来很大便利，它相对于普通列车具有很多明显的优势。超导磁悬浮列车中最重要的部分就是建立并维持超导体的低温环境，因此制冷低温技术是超导体磁悬浮类车中的重中之重。磁体系统要求制冷机在工作温度必须能提供足够的制冷量，且要求制冷机操作简单、运行可靠、工作寿命长及振动小等优点，并具有较高的经济性。随着超导磁体应用的不断深入，小型低温制冷机技术得到发展，高温超导材料被发现；制冷机直接冷却的超导磁体系统可以实现。并且制冷机直接冷却的超导磁体系统在很多方面有改善和创新研究。

关键字：超导磁悬浮列车制冷机超导磁体系统改善创新

一.超导磁悬浮列车简介

近几年来，磁悬浮列车给我们的生活交通带来很大的便利。它不仅速度高，低能耗，爬坡能力强，在大容量运输，较高安全性，低污染方面也很有潜力。磁悬浮列车的主要类型有常导、低温超导和高温超导磁悬浮车。三者相比，高温超导磁悬浮列车自稳定性高，不需要悬浮控制，运行成本低，但技术不够成熟；低温超导磁悬浮列车需要悬浮控制，导向控制，建造成本相对较高，但技术比较成熟。高温超导和低温超导对低温的要求是能够提供持续的低温，但低温超导要求的低温较低，高温超导需要的低温相对较高。

超导磁悬浮列车是利用车辆上的超导磁体在运动时割切线路上导体（短路环）产生感应电流，该电流产生的磁力线，必然与产生它的磁力线相反，形成斥力，从而悬浮于导轨分离。这一原理的关键就是超导体在低温环境下的无电阻特性，以及它所具有的完全导电性和完全抗磁性，从而能制成体积小功率极大的电磁铁。因而超导体实现的关键就是低温环境的出现和维持。制冷技术在超导体磁悬浮列车应用中是重中之重。

二.制冷低温技术的应用

超导磁体的冷却方式一般有三种：一是液氦冷却（高温超导用液氮冷却）的超导磁体系统；二是闭式循环冷却的超导磁体系统；三是制冷机直接冷却的超导磁体系统。迄今为止，大部分实用超导磁体均采用液氦浸泡冷却，液氦冷却的超导磁体系统运行稳定，但结构复杂，运行费用昂贵，不能长时间连续运行，且安全性较差。随着低温制冷机性能的不断提高和低温杜瓦技术的不断成熟，逐步发展了闭式循环冷却的超导磁体系统。闭式循环降低了超导磁体系统的运行费用，在很大程度上促进了超导磁体的发展与应用。

随着超导磁体应用的不断深入，人们关心的不仅是磁体的稳定性，而且对磁体的安全性与操作维护方便性也日益关注．小型低温制冷机技术的发展和高温超导材料的发现使制冷机直接冷却的超导磁体系统成为可能．从90年代初期至今，制冷机冷却的超导磁体系统取得了快速发展．从制冷机直接冷却的超导磁体系统几年来的发展来看，目前液氦浸泡式冷却的超导磁体系统能够应用的各个领域，其都在渗透和发展，从已报道的系统来看，已有更新和取代原有的液氦浸泡式超导磁体系统的趋势．与液氦冷却的超导磁体系统相比，制冷机直接冷却的超导磁体系统还有很多优点，如克服了液氦供应和使用不便带来的诸多问题、运行简单、维护方便、可长时间连续运行以及系统轻便紧凑等。

三.制冷机直接冷却的超导磁体系统

制冷机冷却的超导磁体系统主要由超导磁体、小型低温制冷机、低温容器、电流引线、磁体电源及控制部件组成。磁体系统要求制冷机在工作温度必须能提供足够的制冷量，且要求制冷机操作简单、运行可靠、工作寿命长及振动小等优点，并具有较高的经济性。目前，制冷机一般都选用G-M制冷机。G-M制冷机结构简单紧凑、可靠性高，近几年来已广泛用于低温系统中。

随着小型制冷机技术的发展，其在制冷量和制冷特性方面都取得了长足的进步，现在商用的G-M制冷机，已有在4K提供 1.5W制冷量同时40K还有40W冷量的机型。低温超导磁体一般工作在液氦温区，实用化的低温超导磁体主要有NbTi和NbSn两种。目前，为低温超导磁体系统提供冷源的G-M制冷机在 4.2K一般有0.5～1.5W的制冷量，同时制冷机一级有十几瓦至几十瓦的制冷量来冷却辐射屏和电流引线．磁体系统所需的冷量与磁场强度的大小、孔径的大小、励磁速度的快慢、真空度的高低、绝缘和传热情况等密切相关。对于一般的中小应用场合，磁场强度要求不是很高且系统不是很大的情况下，在 4.2K 有0.5W以上制冷量的单台制冷机已能够满足系统所需的冷量。由于高温超导磁体系统对温度要求比低温超导磁体系统要低一些（低温超导要求液氦温度，高温超导要求液氮温度），因此，高温超导磁体系统对制冷机的要求也相对较低。

四.制冷机直接冷却的超导磁体系统的发展和创新

1.制冷机直接冷却超导磁体系统中高温超导电流引线的应用研究

由文献[4]知，常规的铜电流引线在低温环境中漏热过大，如果使用在制冷机直接冷却的超导磁体系统中，在经济上不可行。高温超导电流引线是使制冷机直接冷却低温超导磁体系统能够实际运行的关键技术之一。高温超导电流引线由铜引线和高温超导引线两部分组成，铜引线工作在室温和热流截流温度点之间，高温超导引线工作在热流截流温度点和低温磁体温度之间。用高温超导材料作电流引线的优点在于高温超导引线工作在临界温度以下的超导状态，消除了焦耳热；除此之外，高温超导材料热导率很低，可减少沿引线从高温区向低温区的热传导漏热。

2.G-M制冷机作为冷凝泵在传导冷却超导磁体系统中的应用（总结于文献[2]）

文献[2]研究表明：G-M制冷机作为冷凝泵对系统抽真空有着巨大的作用，在磁体冷却过程中，仅靠制冷机可维持系统所需要的真空，并可完成磁体的励磁通电和磁体长时间运行对真空的需求。

3.在低温超导磁体系统中用脉管制冷机取代G-M制冷机的研究

文献[1]指出，脉管制冷机由于低温端没有运动部件，具有制造简单、寿命长、自干扰振动小等突出优点，现在已进入实用化阶G-M制冷机的想法。

对于液氦温区的多级脉管制冷机，目前使用氦4为工质的脉管制冷机达到的最低温度2.07K，这是由液氮预冷的二级脉管制冷机达到的。制冷机二级使用氦3为工质的脉管制冷机达到的最低制冷温度是1.27K，这也是气体循环所能达到的最低制冷温度。

表一脉管制冷机与G-M制冷机的比较

单位及型号制冷量@一级温度制冷量@二级温度耗功