关于采用葫芦形高温超导（HTS）片堆叠的磁体的气体冷却结构及低温稳定性的数值研究

《Physica C: Superconductivity and its Applications》：Numerical Study on Gas-cooling Structure and Cryo-stability of Magnets Stacked with Gourd-shape HTS Sheets

　　

摘要

将磁体与葫芦形的高温超导（HTS）薄片堆叠在一起，可以使磁体在 persistent current mode（PCM）下工作，并具有磁通密度放大的能力，这在高场研究、磁能存储和磁悬浮运输领域具有广阔的应用前景。本文通过数值方法研究了在气体氦冷却条件下，这种HTS磁体与葫芦形薄片堆叠结构的冷却特性和低温稳定性。提出了两种采用铜片的气体冷却结构：交错堆叠和背靠背配置。在铜片上制造了冷却孔以提高冷却效率。建立了考虑线性热源干扰情况下，用气体氦冷却的磁体的三维模拟模型。研究了铜片的外缘长度和厚度以及冷却孔数量对低温稳定性的影响。结果表明，这两种提出的气体冷却结构相比直接堆叠结构具有更优越的低温稳定性，并且通过调整铜片和冷却孔的参数可以有效优化传热效率。这项工作为HTS堆叠磁体的气体冷却结构设计提供了新的参考。

引言

与电阻磁体相比，超导磁体能够产生更强的磁场，消耗更少的能量，并具有更长的使用寿命，这对许多科学发现和创新技术的进步做出了重要贡献[1]。

这种堆叠了葫芦形高温超导（HTS）薄片的磁体通过磁场冷却方法进行冷却[2,3]。这种方法避免了由于制造超低电阻接头难度较大而导致的较大磁漂移和能量损耗问题，能够在 persistent current mode（PCM）下工作，并具有磁通密度放大的能力[4]，因此在高场研究、磁能存储和磁悬浮运输方面具有很大的应用潜力。

然而，冷却气体的传热效率和高温超导体的热导率相对较低。由电磁运动和机械运动产生的热量以及外部热干扰会导致磁体在动态运行过程中温度上升[5]。如果内部热量不能及时散失，HTS磁体可能会发生淬火甚至烧毁[6,7]。因此，有必要分析HTS磁体的低温稳定性并设计合理的气体冷却结构以适应实际应用[8,9]。

本文提出了两种采用铜片的气体冷却结构：交错堆叠和背靠背配置，并通过数值方法分析了在气体氦冷却条件下，这种HTS磁体与葫芦形薄片堆叠结构的低温稳定性。在铜片上制造了冷却孔以提高冷却效率。建立了考虑线性热源干扰情况下，用气体氦冷却的磁体的模拟模型。研究了铜片的外缘长度和厚度以及冷却孔数量对低温稳定性的影响。研究结果为HTS堆叠磁体的气体冷却结构设计提供了新的参考。

章节摘录

磁体结构

葫芦形HTS薄片是通过切割商业化的第二代（2G）宽幅HTS带材制成的。2G HTS带的详细参数如图1所示。与低温超导体（LTS）相比，2G HTS带材具有较大的传输电流能力、良好的机械性能和高不可逆场[[10], [11], [12], [13]]，并已被广泛应用于多种磁体设计中[[14], [15], [16]]。

葫芦形HTS薄片是通过激光加工制造的。

数值模拟模型

本文采用COMSOL Multiphysics中的固体传热和层流传热模块来研究葫芦形HTS磁体在热干扰作用下的温度分布。固体域中的传热控制方程如下所示：$$\gamma C\frac{?T}{?t}??\left(k·?T\right)=W_{\mathrm{D}}$$其中 T、$\gamma$、C 和 k 分别表示温度、密度、比热容和热导率。W_D 表示由外部热干扰引起的热量。

在界面处

热分析结果

对于葫芦形HTS磁体，小环区域的磁场、电流密度和温度最高[5]。因此，分析这一区域可以有效地反映整个磁体的低温稳定性。图10显示了在气体氦冷却条件下，三种结构中小环的横截面温度分布。

如图10所示，直接堆叠结构缺乏有效的热传导路径。热量在轴向和径向方向上都会传播，导致

结论

本文研究了堆叠了葫芦形HTS薄片的HTS磁体的气体冷却结构和低温稳定性。提出了两种集成铜片的气体冷却结构：交错堆叠和背靠背配置，并在铜片上制造了冷却孔以提高传热效率。建立了考虑线性热源模拟内部热干扰的气体氦冷却条件下磁体的模拟模型。

作者贡献声明

张楚月：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源管理，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。王银顺：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。贾佳伦：撰写 – 原稿撰写，可视化，验证，软件，资源管理，项目管理，研究，形式分析，数据

张楚月|王银顺|贾佳伦