CN101615469A - 高热容材料保护的高温超导磁体系统 - Google Patents

高热容材料保护的高温超导磁体系统 Download PDF

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Abstract

一种高热容材料保护的高温超导磁体系统，高温超导磁体(12)置于低温容器(6)内，高温超导磁体(12)周围包裹高热容蓄冷材料(17)。制冷机(1)安装在真空容器(2)内，制冷机(1)的一级冷头通过第一热管(3)和真空容器(2)的冷屏(5)相连。制冷机(1)的二级冷头通过第二热管(8)和低温容器(6)相连，第二热管(8)下端的第一、二导冷铜棒(23、24)通过导冷片(15)与高温超导磁体(12)相连。外对称安装在低温容器(6)的钇钡铜氧高温超导块(13)和位于真空容器(2)内壁上的永磁块(14)相互作用，将低温容器(6)悬浮起来。温度探头(18)探测到的高温超导磁体(12)的温度信号用于控制制冷机(1)的启动和关闭。

Description

高热容材料保护的高温超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种超导磁体系统，特别涉及一种高热容材料保护的高温超导磁体系统。
背景技术
Bi系高温超导带材在4～30K的温度范围时即使在较高的磁场下其电流密度Jc可达到104-106A/cm2。因此，用制冷机冷却、高热容材料保护的高温超导磁体的研制具有较为重要的意义。当系统冷却到其运行温度时超导磁体可以长时间脱机运行以达到在一些特殊场合使用的目的。高温超导磁体技术是利用4～30K温区制冷机成熟的技术，同时又可充分利用高温超导体的载流能力和超导带材以及高热容混合高热导材料保护磁体使得高温超导磁体具有较高的稳定性。
高温超导材料和低温制冷技术的发展为高温超导磁体技术的工业应用和研究强磁场科学仪器、电气工程技术提供必要的条件，特别是高磁场高温超导磁体技术的发展为超导磁体技术的工业应用提供了较为美好的前景。研究和发展高温超导磁体技术，解决相关的基础科学和工程技术问题，为高温超导磁体的研究和开发应用打下了良好基础。对于推动高温超导磁体技术的应用具有重要意义。
高温超导磁体技术的工业和特殊行业应用发展得较快，特别是在通用磁体、磁推进、磁分离、煤的除铁技术、磁性材料在强磁场下的加工技术等方面。一些特殊场合要求磁体系统几天或几周时间内脱离制冷机运行。现有技术中采用传导冷却的高温超导磁体在真空容器中直接通过导冷片与二级冷头下的导冷铜棒相连，磁体外没有安装低温容器，无法通过低温容器内的高热容蓄冷材料维持磁体温度。因此高温超导磁体没有了高热容材料的保护，磁体很难脱离制冷机运行
发明内容
为克服现有技术系统的脱机运行时间相对较短的缺陷，本发明提出一种新的结构模式的高温超导磁体系统。本发明采用高热容的固氖或固氮保护技术，通过低温容器内的高热容蓄冷材料维持磁体温度来延长磁体的脱机运行时间。装置简便，成本低，可以满足高温超导磁体系统在较长时间范围内脱机运行的要求。
本发明高温超导磁体系统包括高温超导磁体、制冷机、真空容器、低温容器、热管、液氮容器。所述制冷机安装在真空容器内，制冷机的一级冷头通过第一热管和真空容器的冷屏相连。液氮容器安装在真空容器的冷屏上端，液氮容器通过液氮输液管和外界相连接。制冷机的二级冷头通过第二热管和低温容器相连，第二热管下端的导冷铜棒和导冷片与高温超导磁体相连，装在低温容器中的高热容的固态氮或固态氖作为蓄冷材料，提供冷却高温超导磁体所需的冷量。低温容器通过输液管和外界连接。高温超导磁体通过电流引线与外界连接。电流引线由外界引入通过银焊接与高温超导磁体连接。高温超导磁体的上端面装有温度探头，温度探头检测到的温度信号用于控制制冷机的启动和关闭。液氮容器放置在真空容器内的上端，低温容器放置在真空容器内的下端，高温超导磁体放置在低温容器内，真空容器和低温容器都是密闭的。第一热管放置在一级冷头周围，第二热管放置在二级冷头下端。第二热管下端连接导冷铜棒，导冷铜棒包括第一导冷铜棒和第二导冷铜棒。第二导冷铜棒通过多个导冷片与高温超导磁体连接。
本发明考虑到制冷机运行时的振动以及低温收缩对高温超导磁体的拉伸作用，连接导冷铜棒与高温超导磁体的导冷片采用弯曲形状。高温超导磁体和高热容蓄冷材料放置在低温容器内部，以有效减小系统的漏热。
本发明在低温容器的外面对称安装有钇钡铜氧(YBCO)高温超导块，YBCO高温超导块和位于真空容器内壁上的钕铁硼(NdFeB)永磁块相互作用将低温容器悬浮起来。
本发明在高温超导磁体外表面径向安装导热片来提高磁体和蓄冷材料之间的热交换效率，更有效的对磁体进行保护，使磁体系统温度更均匀。
本发明导冷片与高温超导磁体，导冷片和导冷铜棒之间采用银焊接，增加制冷机和磁体之间的热传导，实现温差小于0.01～0.5K。
本发明制冷机的二级冷头与高温超导磁体的连接结构包括：二级冷头用螺丝直接与第二热管上的导冷板相连；导冷板与第一导冷铜棒的上部银焊连接，第一导冷铜棒的下部与第二导冷铜棒的上部用螺纹连接；第二导冷铜棒的下部与紫铜板银焊连接；紫铜板通过软铜的导冷片与高温超导磁体的端板连接。用软的导冷片连接可以减少系统降温时产生的应力。导冷板通过螺钉与制冷机二级冷头直接相连，导冷板与制冷机二级冷头之间垫有一层薄的软金属片增加导冷效果。
本发明高温超导磁体系统采用的原理是：第一热管和第二热管放置在制冷机和被冷却的高温超导磁体之间，高热容的固态氮或固态氖作为蓄冷材料。当高温超导磁体系统正常运行时，制冷机和被冷却的高温超导磁体之间通过热管具有较好的热耦合，高温超导磁体系统能够被高效率地冷却到所要求的运行温度。随后控制系统将热开关启动，制冷机和被冷却的高温超导磁体完全绝热，制冷机自动关闭。高温超导磁体系统处于脱机运行状态，当控制系统检测到磁体的温度升到设定的制冷机启动温度，控制系统启动制冷机，热开关将制冷机和磁体相连接，使磁体温度降低到所要求的运行的温度。
附图说明
图1磁体和低温系统的整体结构示意图，图中：1制冷机、2真空容器、3第一热管、4第一充气管、5冷屏、6低温容器、7第二充气管、8第二热管、9液氮容器、10输液管、11液氮输液管、12高温超导磁体、13YBCO高温超导块、14永磁块、15导冷片、17高热容蓄冷材料、18温度探头、19电流引线、23第一导冷铜棒，24第二导冷铜棒；
图2均匀温度分布的线圈导冷结构，图中：20导热片；
图3二级冷头与高温超导磁体之间的连接结构，图中：21二级冷头，22导冷板，25紫铜板，26波纹管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，制冷机1安装在真空容器2内，制冷机1的一级冷头通过热管3和真空容器2的冷屏5相连。制冷机1的二级冷头通过热管8和低温容器6相连，第一导冷铜棒23和第二导冷铜棒24通过导冷片15与高温超导磁体12相连，采用固氮或固氖作为高热容蓄冷材料17提供高温超导线圈12所需冷却的冷量。低温容器6通过输液管10和外界连接。高温超导磁体12通过电流引线19与外界连接。冷屏5和液氮容器9相连，液氮容器9通过液氮输液管11和外界连接。在低温容器6的外面对称安装有钇钡铜氧(YBCO)高温超导块13，YBCO高温超导块13和位于真空容器2内壁上的钕铁硼(NdFeB)材料的永磁块14相互作用将低温容器6悬浮起来。温度探头18安装于高温超导磁体的上端面。温度探头18用于检测高温超导磁体12的温度，温度信号用于控制制冷机1的启动和关闭。
真空容器2和低温容器6采用不锈钢制造。制冷机1运行时考虑振动以及低温收缩对高温超导磁体12的拉伸作用，连接导冷铜棒与高温超导磁体的导冷片15采用弯曲形状。高温超导磁体12和高热容蓄冷材料17放置在低温容器6内，以有效减小高温超导磁体系统的漏热。
导冷片15与高温超导磁体12之间，导冷片15与第一导冷铜棒23和第二导冷铜棒24之间均采用银焊接，可增加制冷机1和高温超导磁体12之间的热传导，实现温差小于0.01～0.5K。第一热管3连接制冷机1的一级冷头，第二热管8和制冷机1的二级冷头以及第一导冷铜棒23相连接。高温超导磁体12放置在装有高热容蓄冷材料17的低温容器6内。为了减少进入系统的漏热，且要保证真空容器2内的真空度，因此制冷机1的二级冷头与低温容器6的连接必须是密封连接，而且能保证在低温下运行稳定。第二热管8外围套有不锈钢的波纹管26，波纹管26的下部与低温容器6的上盖板焊在一起，波纹管26上部的法兰与导冷板22之间用软金属铟材料密封，这样可以保证导冷结构的密封性，又可以减少在系统降温时系统收缩对制冷机的拉力。波纹管的自由伸缩性使得导冷板22与制冷机二级冷头可以更容易、更紧密的配合，便于装配。低温容器6整体密封完成之后，真空容器2应保持真空度为10-4-10-5Pa的水平。电流引线19和一级冷头之间的连接是通过高热导，高绝缘的垫片过渡，这样保证较好的热连接和较好的电绝缘。
如图2所示，为使高热容蓄冷材料17的温度分布更均匀，更高效的利用其高热容。在高温超导磁体12的外部安装导热片20来提高传热效率。导热片20是板翅式换热器最基本的原件。它的作用是增大传热面积，提高换热器的紧凑性及传热效率。高温超导磁体12上的导热片20与导冷片15紧密搭接，使高温超导磁体12从制冷机1的二级冷头不断吸收冷量。
如图3所示，本发明制冷机的二级冷头21与高温超导磁体12的连接结构包括：二级冷头21用螺丝直接与第二热管8上面的导冷板22相连；导冷板22与第一导冷铜棒23的上部采用银焊连接，第一导冷铜棒23的下部与第二导冷铜棒24的上部用螺纹连接；第二导冷铜棒24的下部与紫铜板25采用银焊连接；紫铜板25通过导冷片15与高温超导磁体12连接。用软的高纯铜的导冷片15连接，可以减少系统降温时产生的应力对高温超导磁体12和制冷机1的影响。导冷板22通过螺钉与制冷机1的二级冷头21直接相连，导冷板22与制冷机1的二级冷头21之间垫上一层薄的软金属铟片增加导冷效果。
现有技术中采用传导冷却的高温超导磁体在真空容器中直接通过导冷片与二级冷头下的导冷铜棒相连，磁体外没有安装低温容器，无法通过低温容器内的高热容蓄冷材料维持磁体温度。因此高温超导磁体没有了高热容材料的保护，磁体很难脱离制冷机运行。本发明采用高热容的固氖或固氮保护技术，通过低温容器内的高热容蓄冷材料维持磁体温度来延长磁体的脱机运行时间。装置简便，成本低。

Claims (6)

1、一种高热容材料保护的高温超导磁体系统，包括高温超导磁体(12)、制冷机(1)、真空容器(2)，其特征在于，密闭的真空容器(2)内的上部放置液氮容器(9)，在真空容器(2)内的下部放置低温容器(6)，低温容器(6)内装有高热容蓄冷材料(17)；高温超导磁体(12)放置在低温容器(6)内，高温超导磁体(12)周围包裹高热容蓄冷材料(17)；密闭的低温容器(6)通过输液管(10)和外界连接；第一热管(3)位于一级冷头周围，第二热管(8)位于二级冷头下端；制冷机(1)安装在真空容器(2)内，制冷机(1)的一级冷头通过第一热管(3)和真空容器(2)的冷屏(5)相连；制冷机(1)的二级冷头通过第二热管(8)和低温容器(6)相连，第二热管(8)下端的第一导冷铜棒(23)和第二导冷铜棒(24)通过导冷片(15)与高温超导磁体(12)相连；高温超导磁体(12)通过电流引线(19)与外界连接；冷屏(5)和液氮容器(9)相连，液氮容器(9)通过液氮输液管(11)和外界连接；在低温容器(6)的外面对称安装有钇钡铜氧高温超导块(13)，钇钡铜氧高温超导块(13)和位于真空容器(2)内壁上的永磁块(14)相互作用，将低温容器(6)悬浮起来；高温超导磁体(12)的上端面装有温度探头(18)，温度探头(18)用于检测高温超导磁体(12)的温度，所探测到的温度信号用于控制制冷机(1)的启动和关闭。
2、按照权利要求1所述高热容材料保护的高温超导磁体系统，其特征在于所述制冷机(1)的二级冷头(21)用螺钉直接与导冷板(22)连接，制冷机(1)的二级冷头(21)与导冷板(22)之间垫有一层铟片；导冷板(22)与第一导冷铜棒(23)的上部银焊连接，第一导冷铜棒(23)的下部与第二导冷铜棒(24)的上部用螺纹连接；第二导冷铜棒(24)的下部与紫铜板(25)采用银焊连接；紫铜板(25)通过软纯铜制作的导冷片(15)与高温超导磁体(12)的端板连接；导冷片(15)与高温超导磁体(12)之间采用银焊接，导冷片(15)和第一导冷铜棒(23)和第二导冷铜棒(24)之间采用银焊接。
3、按照权利要求1或2所述的高热容材料保护的高温超导磁体系统，其特征在于所述的导冷片(15)采用弯曲形状。
4、按照权利要求1所述的高热容材料保护的高温超导磁体系统，其特征在于所述的高温超导磁体(12)的外部装有径向导热片(20)。
5、按照权利要求1所述的高热容材料保护的高温超导磁体系统，其特征在于所述的高热容蓄冷材料(17)为固氮或固氖材料。
6、按照权利要求1所述高热容材料保护的高温超导磁体系统，其特征在于所述第二热管(8)外围的不锈钢的波纹管(26)的下部与低温容器(6)的上盖板焊在一起，波纹管(26)上部的法兰与导冷板22之间用铟材料密封；低温容器(6)整体密封完成之后，真空容器(2)保持真空度为10-4-10-5Pa的水平。
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