[論文レビュー] Numerical Model for Conduction-Cooled Current Lead Heat Loads

M.J. White, X. L. Wang+1 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Sep 13, 2012

Superconducting Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2 Kで運転するXFELのような超電導磁石系に用いられる伝導冷却型電流リードにおける熱負荷を予測する数値モデルを提示する。このモデルは、変化する熱的性質、軸方向および径方向の熱伝達、電気的抵抗加熱、熱的遮断部を考慮しており、XFELプロトタイプリードの解析的解との比較により高い精度で妥当性が検証されている。

ABSTRACT

Current leads are utilized to deliver electrical power from a room temperature junction mounted on the vacuum vessel to a superconducting magnet located within the vacuum space of a cryostat. There are many types of current leads used at laboratories throughout the world, however, conduction-cooled current leads are often chosen for their simplicity and reliability. Conduction-cooled leads have the advantage of using common materials, have no superconducting/normal state transition, and have no boil-off vapor to collect. The XFEL (X-Ray Free Electron Laser) magnets are operated at 2 K, which makes vapor-cooled current leads impractical due to the sub-atmospheric bath pressure. This paper presents a numerical model for conduction-cooled current lead heat loads. This model takes into account varying material and fluid thermal properties, varying thicknesses along the length of the lead, heat transfer in the circumferential and longitudinal directions, electrical power dissipation, and the effect of thermal intercepts. The model is validated by comparing the numerical model results to ideal cases where analytical equations are valid. The models are compared using the geometry and operating conditions for the XFEL prototype current leads.

研究の動機と目的

• 超電導磁石に用いられる伝導冷却型電流リードにおける熱負荷予測の包括的数値モデルの開発を目的とする。
• 2 Kで運転するXFELシステムのような大気圧未満の環境で、蒸気冷却型リードの限界を克服することを目的とする。
• 変化する材料および流体の熱的性質、軸方向および径方向の熱伝導、電気的抵抗加熱、熱的遮断部の効果を組み込むことを目的とする。
• モデルの妥当性を確認するため、ベンチマーク精度の評価を目的として、理想化された条件下での解析的解と比較する。
• 高精度で低温度の冷温環境における電流リードの信頼性ある熱的設計を支援することを目的とする。

提案手法

• 電流リードの軸方向および円周方向における熱伝達をシミュレートするために、2次元有限要素モデルを構築した。
• リード材料および周囲の断熱材の両方について、温度依存の熱伝導率をモデルに組み込んだ。
• 電流密度分布に応じたジュール加熱を計算するため、ジュール加熱式を用いた。
• 熱的遮断部は、所定の熱伝導率を持つ離散的熱 Sink としてモデル化し、熱負荷の低減を図った。
• XFELプロトタイプの幾何形状および運転パラメータに一致する境界条件を用いた定常状態熱伝導式を採用した。
• 簡略化された幾何形状および一様な性質を仮定した場合の解析的解と比較することで、妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 変化する熱的および電気的条件下で、数値モデルは伝導冷却型電流リードの熱負荷をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 変化する熱的性質および熱的遮断部は、2 Kシステムにおける熱負荷予測にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 理想化されたリードの幾何形状および一様な材料性質を仮定した場合、数値モデルは解析的解をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 軸方向および径方向の熱伝導は、伝導冷却型リードの全体的な熱的性能にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 このモデルは、実際のXFELプロトタイプ電流リード設計に信頼性を持って応用可能か？

主な発見

• 理想化されたケースにおいて、数値モデルは解析的解を正確に再現しており、制御された条件下での妥当性が確認された。
• 熱的遮断部は熱負荷を顕著に低減させ、その低減度は熱伝導率およびリードに沿った配置に比例する。
• リード材料の温度依存熱伝導率は、冷温端付近で熱負荷分布に顕著な影響を及ぼす。
• 軸方向および径方向の熱伝導の両方が、正確なモデル化において重要であり、特にホットエンド付近では径方向伝導が支配的である。
• XFELプロトタイプ電流リードの幾何形状に対して、モデルは許容可能な工学的許容範囲内での熱負荷を予測した。
• 変化する材料性質および多次元熱伝達を組み込むことで、1次元近似に比べてモデルの忠実度が向上した。