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1.5K级GM制冷机低温恒温器内氦流动数值分析

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1.5K级GM制冷机低温恒温器内氦流动数值分析

作者：颜韬哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

针对中国散裂中子源样品环境用1.5K级GM制冷机低温恒温器内氦流程存在螺旋管换热器换热效率不高、排气管换热效率低、氦气流动特性不明、样品容器内不同工况缺乏流场及温度场研究造成控温测温困难等问题,本文采用数值模拟方法寻找途径... 详细信息

针对中国散裂中子源样品环境用1.5K级GM制冷机低温恒温器内氦流程存在螺旋管换热器换热效率不高、排气管换热效率低、氦气流动特性不明、样品容器内不同工况缺乏流场及温度场研究造成控温测温困难等问题,本文采用数值模拟方法寻找途径提高螺旋管换热效率,改善排气管换热性能,改善样品容器温控和提高样品容器测温精度。以流体能量守恒、动量守恒、质量守恒三大守恒定律及附加方程为理论基础,使用ANSYS Fluent软件进行模拟仿真,对恒温器内氦流程换热及流动特性进行分析,获得了解决低温工程实际问题的方案,得到了改善低温氦流程换热性能的方法,提高了冷量利用率。对螺旋管内氦流动、排气管内氦流动、样品容器内氦工质流动和温控进行了Fluent数值模拟,采用稳态与瞬态分析相结合的研究方法,分析获得改善氦流程换热性能的方法。首先,螺旋管内超临界氦流动过程中,离心作用力是影响螺旋管内径向内外侧流场势差最重要的原因,回流是另一个影响径向截面场强差异的原因。同时,螺管直径、曲率直径与换热性能存在负相关关系。入口质量流量与超临界氦在管道流动过程中沿着轴线方向径向截面平均温度存在负相关的关系、与换热性能存在正相关关系。增大质量流量能提高截面平均换热系数、增强换热。其次,在样品容器中,浮升力是影响流场分布重要的原因,加热盘处努塞尔数随容器内氦气温升而减小,样品容器内在中心高度处设置温度计能最有效测量腔体内工质平均温度。再次,在排气管中氦气温度场受入口膨胀与金属环的共同作用,入口膨胀作用随氦气温升越发明显,金属环长度与改善管内氦气换热性能存在负相关关系。该研究为今后低温恒温器内氦流程环设计和后续改善换热研究提供理论参考,有利于节能技术进一步发展。

关键词：低温恒温器氦螺旋管换热器排气管样品容器

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CAFeⅡ装置低温恒温器热负荷分析

真空与低温 2024年第5期30卷 589-594页

作者：万玉琴李超张军辉韩彦宁兰州理工大学兰州730050 中国科学院近代物理研究所兰州730000

低温恒温器作为超导直线加速器的最小加速单元,其在低温下的热力学性能将直接影响低温系统的运行成本和效率。低温恒温器的热负荷包括静态热负荷和动态热负荷。研究了低温恒温器的冷屏、超导腔、调谐器、耦合器、绝热支撑等主要元件的... 详细信息

低温恒温器作为超导直线加速器的最小加速单元,其在低温下的热力学性能将直接影响低温系统的运行成本和效率。低温恒温器的热负荷包括静态热负荷和动态热负荷。研究了低温恒温器的冷屏、超导腔、调谐器、耦合器、绝热支撑等主要元件的传热过程,对影响热负荷的关键因素进行了分析。结果表明,CAFeⅡ低温恒温器热负荷能够满足设计指标要求,为超导直线加速器稳定运行奠定了基础。

关键词：低温恒温器液氦热负荷

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注入器模组低温恒温器设计及分析

真空与低温 2024年

作者：杜文清孙兴中何超峰云永琥陈伟王希龙岳泰陈耀锋深圳综合粒子设施研究院

深圳中能高重复频率X射线自由电子激光(S3FEL)项目计划采用双注入器设计，每套注入器需要一台注入器模组。由于注入器模组内部超导腔采用ABBA的结构形式排列，因此注入器模组低温恒温器外部结构以及内部导冷形式与标准模组有所不同。介... 详细信息

深圳中能高重复频率X射线自由电子激光(S3FEL)项目计划采用双注入器设计，每套注入器需要一台注入器模组。由于注入器模组内部超导腔采用ABBA的结构形式排列，因此注入器模组低温恒温器外部结构以及内部导冷形式与标准模组有所不同。介绍了注入器模组低温恒温器的设计，对关键零部件的强度、形变和温度场分布进行了有限元分析，并评估了低温下超导腔位置的变化，为注入器模组低温恒温器的设计提供理论依据。

关键词：注入器模组低温恒温器有限元分析

低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响研究

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计量学报 2023年第10期44卷 1487-1493页

作者：叶西慧于滢邢力冯晓娟张金涛邱萍孙坚中国计量大学机电工程学院杭州310018 中国计量科学研究院热工计量科学研究所北京100029

平衡氢三相点(13.803 3 K)是ITS-90规定的最低温度固定点,常用于标准套管铂电阻温度计的检定或校准。改进后的国家温度基准使用基于闭循环制冷机的低温恒温器提供准绝热环境,采用量热法进行密封式平衡氢三相点的复现实验。由平衡氢转化... 详细信息

平衡氢三相点(13.803 3 K)是ITS-90规定的最低温度固定点,常用于标准套管铂电阻温度计的检定或校准。改进后的国家温度基准使用基于闭循环制冷机的低温恒温器提供准绝热环境,采用量热法进行密封式平衡氢三相点的复现实验。由平衡氢转化催化剂引起的三相点容器的预熔化现象以及实验组装的差异均会导致组件热容或系统热阻的变化,从而影响复现水平。建立了系统的传热模型,通过2次绝热条件不同的复现实验,测量了低温恒温器三相点组件的热容、绝热屏与三相点组件的热阻等参数,分析了低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响规律。结果显示,在复现开始前通过测量热阻并确认系统绝热性能良好,复现4个平衡氢三相点温坪的标准偏差优于0.1 mK。

关键词：计量学低温恒温器平衡氢三相点固定点复现准绝热

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实验用低温恒温器及相关制冷技术研究进展

真空科学与技术学报 2023年第11期43卷 903-912页

作者：汪杰熊磊王帅郭凯刘鸿俊李顶房张维沈冰方应翠合肥工业大学真空与过程装备系合肥230009 武汉嘉仪通科技有限公司武汉430206 合肥工业大学智能制造技术研究院合肥230051

低温恒温器通过制冷技术提供稳定的低温环境,广泛应用于磁共振系统、超导、低温光谱、大型科学装置以及实验室低温测试等领域。目前获得低温的方式主要有制冷剂和低温制冷机,受限于被动式制冷机的制冷量,现有实验用低温恒温器仍以制冷... 详细信息

低温恒温器通过制冷技术提供稳定的低温环境,广泛应用于磁共振系统、超导、低温光谱、大型科学装置以及实验室低温测试等领域。目前获得低温的方式主要有制冷剂和低温制冷机,受限于被动式制冷机的制冷量,现有实验用低温恒温器仍以制冷剂和主动式制冷机为主。文章介绍了常见的实验用低温恒温器结构及其发展与问题,并分析了市场上主流产品的解决方案。同时,介绍了国内低温恒温器技术的发展,包括一款自研的低温薄膜电阻测试仪,最后简要地展望了低温恒温器的发展前景。本研究为国内同行提供技术参考。

关键词：低温恒温器制冷机制冷技术

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中国散裂中子源4K低温恒温器研制及测试

低温与超导 2023年第7期51卷 1-6页

作者：白波胡海韬袁宝林权黄志强罗万居叶凡程辉童欣中国科学院高能物理研究所北京100049 散裂中子源科学中心东莞523803 广东省极端条件重点实验室东莞523803

中国散裂中子源(CSNS)中子谱仪的运行离不开低温设备提供的低温样品环境,考虑到中子散射的特殊性,样品处不能放置温度计,所以需要对样品温度进行校核。校核结果显示部分低温恒温器样品座测点温度与实际样品温度存在差值。针对该问题,对... 详细信息

中国散裂中子源(CSNS)中子谱仪的运行离不开低温设备提供的低温样品环境,考虑到中子散射的特殊性,样品处不能放置温度计,所以需要对样品温度进行校核。校核结果显示部分低温恒温器样品座测点温度与实际样品温度存在差值。针对该问题,对样品区域进行热工分析及建模求解后,给出了样品区匀温恒温器设计方案。据此CSNS样品环境组设计组装了一套匀温恒温器,该恒温器的温度测试结果显示,4~300 K之间样品温度与测点温度差值在±3 K之内,另外也对300~800 K之间减少样品温差的方案进行了计算和测试。样品区匀温恒温器的研制满足了CSNS对样品测温准确的要求,也对类似设备的匀温方案提供了一定参考,有助于大科学装置设备的国产化。

关键词：散裂中子源低温恒温器匀温设计

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二极铁超导磁体低温恒温器组装测试

低温与超导 2023年第8期51卷 17-23,45页

作者：周涛李超刘伟兰贤辉马鹏葛正福西安聚能超导磁体科技有限公司西安710016 西北工业大学西安710072

依托FRIB二极铁超导磁体样机研制项目,完成磁体低温恒温器系统制作,低温恒温器主要部件有:氦槽(装有两组D型线圈的线圈盒组成)、隔热冷屏、支撑结构、真空腔体、阀箱冷却系统等。磁体系统运行电流为201 A,中心最大磁场达到2 T,线圈使用... 详细信息

依托FRIB二极铁超导磁体样机研制项目,完成磁体低温恒温器系统制作,低温恒温器主要部件有:氦槽(装有两组D型线圈的线圈盒组成)、隔热冷屏、支撑结构、真空腔体、阀箱冷却系统等。磁体系统运行电流为201 A,中心最大磁场达到2 T,线圈使用线径Φ1.14 NbTi超导线,每组线圈的匝数为210匝,束流孔截面空间100 mm*35 mm,弯转角度45度。二极铁超导磁体低温恒温器采用液氦冷却,运行温度为4.2 K,低温液氦挥发的氦气通过阀箱将冷氦气接入冷屏的氦气循环管路对冷屏进行冷却,降低氦槽液氦静态蒸发率。制作过程通过设置专用的绕线工装保证线圈绕制精度,通过杜瓦装配工装保证线圈盒和真空腔的定位精度。二极铁超导磁体低温恒温器支撑结构通过“反拉伸”结构保证强度,同时降低传导漏热,低温下进行磁场中心位置补偿,从而实现磁场中心和束流孔同心度的制作要求。最后对系统进行降温和励磁测试,低温恒温器漏率3×10^(-9)Pa·m^(3)/s,液氦静态蒸发率1.4 L/h,磁场中心和束流孔同心度偏移量为±0.25 mm,达到设计制作要求。

关键词：超导磁体二极铁低温恒温器冷屏阀箱束流孔

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低温恒温器绝热支撑模拟分析及测试

真空与低温 2023年第6期29卷 630-635页

作者：任琪琛王沛胡居利卢毛磊孙志和王云虎安徽万瑞冷电科技有限公司合肥230000 稀有气体分离技术安徽省重点实验室合肥230000

低温绝热支撑(POST)是ADS加速器大型低温恒温器中涉及冷质量的关键部件,对冷质量的固定支撑、静态漏热、精密准直、低温冷缩等起到至关重要的作用。介绍了POST过盈量与接触应力的变化关系。采用有限元仿真分析了POST在不同状态下的热、... 详细信息

低温绝热支撑(POST)是ADS加速器大型低温恒温器中涉及冷质量的关键部件,对冷质量的固定支撑、静态漏热、精密准直、低温冷缩等起到至关重要的作用。介绍了POST过盈量与接触应力的变化关系。采用有限元仿真分析了POST在不同状态下的热、力耦合,计算了降温过程中POST的接触应力变化,研究了玻璃纤维筒体在不同状态下的变形情况,分析了POST拉伸试验结果。为后续优化设计提供了理论基础和研究依据。

关键词：低温恒温器绝热支撑过盈配合接触应力变形

加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ低温恒温器控制系统

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原子能科学技术 2016年第7期50卷 1314-1319页

作者：姜子运牛小飞张鹏万玉琴白峰郭晓虹张军辉何源中国科学院近代物理研究所甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

根据加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ对低温设备的要求设计了一套EPICS架构的控制系统,实现了低温恒温器系统的远程监控功能。该系统的主要控制设备为PLC和串口服务器,相应的控制程序在LabVIEW中开发完成,并使用DSC模块将被控设备的... 详细信息

根据加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ对低温设备的要求设计了一套EPICS架构的控制系统,实现了低温恒温器系统的远程监控功能。该系统的主要控制设备为PLC和串口服务器,相应的控制程序在LabVIEW中开发完成,并使用DSC模块将被控设备的状态和参数等信息以过程变量的形式发布到控制网络中,实现了EPICS接入。使用PID算法将低温恒温器的氦槽压力控制在目标值的±100Pa内变化,保证了超导腔的正常工作要求。设计的控制系统运行稳定,在5 MeV的束流实验中发挥了作用。

关键词：加速器驱动次临界系统低温恒温器控制系统 EPICS LabVIEW