一、选题背景和意义：
1.选题背景：自1911年昂纳斯发现超导现象以来，超导技术快速发展，目前超导技术在通信、交通、能源、医疗等许多重要领域有着广泛的应用，超导材料也已广泛应用于超导磁体、超导电缆、超导电机、磁悬浮、超导储能装置等许多高新技术当中。超导体的临界温度在不断提高，将临界温度低于25-30K的超导体称为低温超导体，临界温度高于25-30K超导体称为高温超导体。基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度 (4.2K及以下)，基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。目前，超导材料应用最多的领域就是制作各种用途的超导磁体，它可以实现常规导体材料无法实现的磁场强度、磁场梯度和磁场均匀度。而超导磁体的性能测试往往需要将其降温到其工作温度区间。
2.研究意义：目前的超导体常用的冷却方式按工质相态可分为液态、固态、气态几种。传统使用的液态工质冷却系统管路复杂、还需巨大的液氮杜瓦，庞大的体积限制了这种冷却方式的使用，目前仅在大型磁体冷却领域应用较多；固态方案主要为固氮冷却，它避免了液态工质对超导磁体冲刷的机械扰动，但由于超导磁体产热，固氮温度会上升，难以长时间运行；气态方案主要是低温氦气在超导磁体与制冷系统之间进行循环，氦气从制冷系统获得冷量，进入超导磁体吸收热量，在外力作用下返回冷却系统，再次获得冷量，完成循环，适合小型、高临界温度超导磁体的冷却。得益于小型低温制冷机的发展，还有一种冷却方式不需工质，将制冷机的冷头与超导磁体直接接触进行冷却，这种方式结构紧凑，系统形式简单，但制冷机的冷头总是存在震动，这并不适合对于稳定性要求很高的超导磁体的冷却。本课题基于GM制冷机，设计一种适合高临界温度小型超导磁体冷却的低温冷源，以克服制冷机直接冷却存在的问题。
二、课题关键问题及难点：
本课题要设计一套可用于超导磁体冷却的低温冷源，基于住友CH-100型GM制冷机，包含冷头换热器与低温循环泵两大构件，其设计与优化是本课题的关键问题。
1.换热器型式的选择 换热器类型多样，按原理分主要有间壁式、蓄热式、混合式等。板翅式换热器是一种典型的紧凑间壁式换热器，换热器中通道较多，换热面积大，换热效率高，广泛地应用于大型氦低温系统中，但GM制冷机冷头面积很小，板翅式换热器难以与冷头直接耦合；换热罐式换热器易于安装，通过螺丝和GM制冷机冷头连接，但结构不紧凑，占用空间比较大，换热效率不高；绕管式换热器结构紧凑，换热效率高，但绕管必须通过锡钎焊和冷头连接，过高的温度会对冷头造成损伤，影响冷头制冷性能。综合考虑冷头换热器尺寸、对换热性能要求高，能够与冷头较好耦合，拟设计一种多通道换热器，解决上述问题。
2.低温下换热器设计存在的问题 低温换热器与常温换热器相比，应用条件更苛刻，对效率和压降的要求也更高，且需考虑变物性的影响等因素，所以其设计更加复杂。换热器的经典设计理论包括对数温差法和效率-传热单元数法，但其应用条件基于几个假设：稳态、可忽视与环境的热交换、无轴向导热、热容率不变、一致的局部和整体的传热系数等。但低温下应用时，换热器受轴向导热、环境漏热和物性剧烈变化的影响加剧，某些情况下可能导致换热器实际运行偏离原始设置值。
3.低温循环泵的设计要求 本课题低温泵工作在闭式循环系统，为尽可能减少低温泵损耗的冷量，要求低温泵工作在最高效率点。设计时需要对泵的叶片出口角等参数进行优化，以使得泵在工作时有高的流动效率。此外，泵的功率损失主要有水力损失、容积损失、机械损失。由于泵工作在77K温区，常规的机械密封设计可能效果不佳，使容积损失增大。传统的低温密封采用普通接触密封技术，典型结构是一种金属波纹管式结构，嵌入碳质静环，压配在金属附件或静环架上，但这种方式组合材料中不同材料的不同收缩将使运行的静环变形，寿命缩短甚至密封失效，因此设计时考虑采用低温屏蔽泵，将泵和驱动电机都被密封在氦气压力容器内，取消传统离心泵具有的旋转轴密封装置，可以做到完全无泄漏。低温会使常规润滑失效，造成机械损失增加，因此需要寻找适合77K温区的润滑方式。
三、文献综述（或调研报告）：
基于本课题涉及到的几个关键问题，做了如下方面的调研：
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