基于超导磁体冷却用小温差多角度脉动热管特性研究

with development of superconducting technology, superconducting magnets have been widely used in biomedicine, power energy, industry and big science project. Efficiently cooling of superconducting magnet with cryocooler has become a critical problem demanding prompt solution. As a new-type effective heat pipe, pulsating heat pipe has a certain advantage to cooling superconducting magnet because its great heat transport ability, strong adjustability, small in size and simple construction. The heat transfer, flow, and electrical insulating properties of pulsating heat pipe with small temperature difference using hydrogen, neon, and helium for superconducting magnet are investigated in this project. Theoretical and experimental studies on the heat transfer and flow under start-up and steady state are performed to analyze the effect of material, number, and bending radius of capillary, length of adiabatic section, and filling ratio. With parameters optimization, the pulsating heat pipe can sharply be cooled down to the operating temperature, start up in a horizontal position, and operate at multi-angle. In addition, the electrical insulating materials which exhibit excellent mechanical and thermal properties and its spacing technique between pulsating heat pipe and superconducting magnet will be studied. Based on the experiment with superconducting magnet, the project could solve the application problem and promote the application of pulsating heat pipe on superconducting magnet.

随着超导技术的发展，超导磁体在生物医学、电力能源、工业和大科学工程中的应用越来越广泛,制冷机与超导磁体间的高效热连接已经成为超导磁体应用中的关键问题，亟需一种高效冷量传输方式与制冷机相匹配。作为一种高效热管，脉动热管具有良好的传热性能和适应性、体积小等优点，在超导磁体冷却上具有一定的优势。本项目拟以超导磁体用氢、氖和氦基脉动热管为研究对象，开展传热、流动及电绝缘性能研究，从启动和稳定运行机理出发，理论和实验研究毛细管材料、根数、弯曲直径、绝热段比例、充液率对传热与流动的影响规律，研制高导热高适应性的小温差脉动热管，通过参数优化实现快速预冷、水平启动和多角度运行，研究不同材质毛细管与超导磁体线圈材料间高导热电绝缘材料性能和间隔工艺，进行与超导磁体的耦合实验，解决脉动热管在超导磁体应用的问题，推进其在超导磁体冷却上的应用进程。

随着超导技术的发展，超导磁体在生物医学、电力能源、工业和大科学工程中的应用越来越广泛,制冷机与超导磁体间的高效热连接已经成为超导磁体应用中的关键问题，亟需一种高效冷量传输方式与制冷机相匹配。作为一种高效热管，脉动热管具有良好的传热性能和适应性、体积小等优点，在超导磁体冷却上具有一定的优势。本项目以超导磁体用脉动热管为研究对象，搭建了国际上首个能够全角度范围变换倾斜角度、充液率、加热功率和根数的低温温区脉动热管多参数测量实验平台。在此平台上对液氦脉动热管进行实验研究，得到了8根液氦脉动热管和小温差48根液氦脉动热管在5个充液率（16.4%, 31.8%, 48.8%, 66.1%, 94.2%）、5个倾斜角度（0°, +15°,+30°, +60°, +90°）、加热功率0~1.5 W时的温度变化和有效导热系数。分析得到了加热功率、倾斜角度和充液率对液氦脉动热管传热性能的影响，并通过对比两种不同根数的液氦脉动热管的实验结果，得到了根数对低温脉动热管的影响，开创性地提出了多根数脉动热管串联和并联两种连接方式。通过分析简化的单环路液氦脉动热管物理模型，讨论了充液率、倾斜角度和操作温度对液氦脉动热管启动过程中的工质运动产生的影响。分别使用VOF (Volume of Fluid)模型对液氮脉动热管、mixture模型对液氦脉动热管进行了数值模拟，得到的模拟结果与通过实验数据猜测的管内工质流动情况相符。在该研究基础上，引入磁体模型负载，进行超导磁体耦合实验，研究无磁体降温过程和带磁体降温过程，和充液率38%@4.2K下带磁体负载时脉动热管传热特性，其有效导热系数在3000~10000 W/（m·k），远高于铜。本研究工作为提高脉动热管传热特性提出了新思路，进一步加深了低温脉动热管运行机理探索，耦合实验在一定程度上推进了其在超导磁体冷却上的应用。