CN101783220A - 一种冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超导磁体(4)的冷却装置，该冷却装置包括：一个容纳所述超导磁体(4)的低温容器(3)，该低温容器(3)中具有用来冷却所述超导磁体(4)的冷却剂；一个排气管路(14)，该排气管路(14)一端与所述低温容器(3)连通，另一端与外界环境相通；所述排气管路(14)上设有一个允许向外界环境排出气体的失超阀(12)；一个真空泵(16)，该真空泵(16)通过一个抽气管路(30)与所述排气管路(14)位于所述失超阀(12)和低温容器(3)之间的部分连通。本发明提出的这种冷却装置可以降低了锻炼性励磁时的失超率，从而降低了磁体的制造成本。

Description

一种冷却装置

技术领域

本发明涉及一种冷却装置，具体来说，本发明涉及一种用于超导磁体的冷却装置，尤其是一种用于超导磁体锻炼性励磁的冷却装置。

背景技术

超导体的临界温度一般很低，通常需要将用于产生超导磁场的超导线圈冷却在液氦中才能获得超导特性，而液氦是一种非常昂贵且不容易操作的制冷剂。

超导磁体一般由超导线圈和支架构成，通常，超导磁体会在实现全部励磁前要进行初始励磁，或者称为锻炼性励磁。在锻炼性励磁过程中，超导线圈上有电流流过，并产生洛伦兹力，因此超导线圈会产生微小的滑动，从一个位置移动到另一个位置，此时，超导线圈会在洛伦兹力或摩擦力的作用下，将动能转换为热能。由于制造超导线圈的材料在低温下的比热很小，所以尽管滑动所产生的热量很少，但也足以使超导线圈这一部位的温度升高到临界温度以上，此时磁体有可能突然从超导态转入正常态，即形成锻炼性励磁阶段的失超现象。超导磁体在励磁或工作过程中一旦失超，磁体中的储能立即以焦耳热的形式放出，使磁体的温度上升，引起液氦急剧气化。失超发生之后，需要抑制因液氦气化而产生的低温容器内的压力上升，因此需要将气化产生的氦气通过排气管路排到真空容器的外侧，这会损失掉一部分液氦，并且，在下一次励磁前，需要重新加满液氦。液氦是非常稀有的商品，价格十分高昂，每次失超在液氦上的花费都非常巨大，因而锻炼性励磁的失超率是影响磁体制造成本的主要因素。因此，需要设法降低锻炼性励磁的失超率，以降低磁体制造的成本。

图1所示为一种现有的励磁装置。如图所示，该装置中包括：一个超导磁体4，该超导磁体4通过两个电流引线5分别连接至一个负极管9和一个正极管10，负极管9和正极管10连接到一个服务塔8，再通过服务塔8上的接口与一个励磁电源13相连；一个容纳上述超导磁体4的低温容器3，该低温容器3中具有将上述超导磁体4冷却到临界温度以下的冷却剂；一个包围在上述低温容器3外围的热屏蔽层2；一个外部真空夹层1，所述外部真空夹层1包围在上述热屏蔽层2外围，将上述热屏蔽层2与外界环境隔开。

低温容器3上具有一个用于排出氦气的排气管路14以及一个用于对所述低温容器3进行冷却的冷头7。其中，排气管路14一端通过服务塔8与所述低温容器3连通，另一端与外界环境相通。

排气管路14上设有一个允许气体向外界环境排出的失超阀12，当低温容器3中的压力超过设定的压力时，该失超阀12处于打开状态，当低温容器3中的压力比设定的压力小时，该失超阀处于关闭状态。

励磁电源13经过服务塔8、负极管9、正极管10和电流引线5与超导磁体4相连，励磁时负极管9、正极管10是由低温容器3蒸发排出的少量气体冷却的。当超导磁体出现失超时，不同超导线圈会产生不同电压信号，经过导线6、服务塔8输入到失超探测器11上，用以探测具体是那个超导线圈先发生失超。失超时低温容器3中的液氦会急剧气化，并排出低温容器3，然后排出的气体经失超阀12从排气管路14中排出，避免因低温容器3中气化的气体压力的升高对整个装置造成损害。

上述现有技术利用液氦和冷头7可以将超导磁体4冷却到超导临界温度之下，但是所得到的温度还不够低，在锻炼性励磁过程中在洛伦兹力或摩擦力作用下将动能转换为热能时，根据上述现有技术得到的温度还不能够抑制失超的发生，导致在初始锻炼性励磁时存在失超次数较多，多次失超导致蒸发液氦较多，因而成本较高。

发明内容

因此本发明总的的目的是要减少锻炼性励磁阶段的失超次数，降低超导磁体的制造成本。

为实现本发明的上述发明目的，本发明提供了一种用于超导磁体的冷却装置，该冷却装置包括：一个容纳所述超导磁体的低温容器，该低温容器中具有用来冷却所述超导磁体的冷却剂；一个排气管路，该排气管路一端与所述低温容器连通，另一端与外界环境相通；所述排气管路上设有一个允许向外界环境排出气体的失超阀；该冷却装置进一步包括：一个真空泵，该真空泵通过一个抽气管路与所述排气管路位于所述失超阀和低温容器之间的部分连通。

在所述真空泵与低温容器之间还设置有一个调节阀。

在所述真空泵与低温容器之间还设置有一个截止阀。

优选地，进一步包括一个用于探测超导磁体是否失超的失超探测器，所述失超探测器与一个阀控制器相连，所述阀控制器根据来自所述失超探测器的失超信号控制所述截止阀关闭。

所述超导磁体通过一个负极管和一个正极管与一个励磁电源电相连；在所述负极管和正极管靠近所述超导磁体的一端的外侧设置有冷却管，所述冷却管中通有辅助冷却剂，用于对所述负极管和正极管进行辅助冷却。所述辅助冷却剂为液氮或液氦。

所述冷却管围绕所述负极管和所述正极管设置。

本发明在锻炼性励磁的过程中采用了真空泵来控制低温容器内的压力，降低了超导磁体的温度，(可以一直将磁体温度降至低于2.17K)。增大了超导磁体的温度余量，降低了锻炼性励磁的失超率，从而降低了磁体的制造成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1所示为一种采用现有冷却技术的励磁装置的示意图；

图2所示为采用根据本发明一个具体实施方式的冷却装置的一种励磁装置的示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。在本文的说明中，“一个”仅仅是为了描述的方便，但并不以此为限，根据需要，也可以是“多于一个”。

下面参照附图2对本发明提出的一种冷却装置的具体实施方式进行说明，如图2所示，本实施例的励磁装置包括：一个超导磁体4，该超导磁体4通过两个电流引线5分别连接至一个负极管9和一个正极管10，负极管9和正极管10连接到一个服务塔8，再通过服务塔8上的接口通过导线6与一个励磁电源13相连；一个容纳上述超导磁体4的低温容器3，该低温容器3中具有将上述超导磁体4冷却到超导临界温度以下的冷却剂；一个包围在上述低温容器3外围的热屏蔽层2；一个外部真空夹层1，外部真空夹层1包围在上述热屏蔽层2外围，将上述热屏蔽层2与外界环境隔开。

低温容器3为一个密闭的容器，其中容纳着制冷剂，用于将上述超导磁体4冷却到临界温度以下。该制冷剂可以为液氦，其通常可以获得低于4.2K的超低温，从而可以保证超导磁体4处于超导状态，图中所示超导磁体4为示意性的，其可以包括一个磁体支架和一个超导线圈(图中未显示)。低温容器3上具有一个用于排出气态氦的排气管路14以及一个用于对低温容器3进行冷却的冷头7。其中，排气管路14一端通过服务塔8与低温容器3连通，另一端与外界环境相通。

排气管路14上设有一个允许气体向外界环境排出的失超阀12，该失超阀可以是，例如一种重力式止逆阀。当低温容器3中的压力超过设定的压力时，该失超阀12处于打开状态，当低温容器3中的压力比设定的压力小时，该失超阀处于关闭状态。这种设置可以避免低温容器3中的压力过大给磁体带来损害，同时，也可以阻止外部空气被吸入低温容器3内给磁体带来冰堵等不利的影响。

在失超阀12和低温容器3之间的排气管路14上设置有一个服务塔8。服务塔8通过一个负极管9和一个正极管10与低温容器3连通。负极管9和正极管10分别通过电流引线5与磁体4电连接，亦即，负极管9通过一根电流引线5与磁体4的超导线圈的负极相连，而相应的，正极管10通过一个电流引线5与磁体4的超导线圈的正极相连。当超导磁体出现失超时，不同超导线圈会产生不同电压信号，经过导线6、服务塔8输入到一个失超探测器11上，用以探测具体是那个超导线圈先发生失超。

本发明实施例的冷却装置进一步包括一个真空泵16，该真空泵可以采用旋片真空泵、往复真空泵、罗茨真空泵、滑阀真空泵等。该真空泵16通过一个抽气管路30连接到排气管路14位于失超阀12与服务塔8之间的部分，从而与低温容器3连通。通过本发明的这种结构，可以在励磁初期用真空泵16对低温容器3进行抽气，降低磁体的温度，这样可以一直将超导磁体4的温度降至低于2.17K，即，比采用现有技术得到的温度大约低2K。本发明的这种设计方案对于仅采用冷头7进行冷却的结构而言，可以将冷却容器3所容纳的超导磁体4的温度降低至低于2.17K，并且可以与冷头7共同作用，获得持续而稳定的冷却效果，即使在锻炼性励磁过程中在洛伦兹力或摩擦力作用下将动能转换为热能时，也能够抑制失超的发生，有效地降低了初始锻炼性励磁中的失超次数，从而降低了超导磁体的制造成本。

在真空泵16和服务塔8之间的抽气管路30上还可以设置有一个调节阀18。在锻炼性励磁过程中，可以通过调整调节阀18来控制抽气的流量和速率，从而可以控制低温容器3内的压力和温度。

在真空泵16和服务塔8之间的抽气管路上还可以设置一个截至阀19。在同时设置有截至阀19和调节阀18的时候，两者在气路中的顺序可以任意设置。如果由于温度或压力的升高，气化后的氦气急剧增加，可以将截止阀19关闭，以避免气化后的氦气对真空泵16造成损害。

由于服务塔8与低温容器3直接相通，因此可以在服务塔8中设置各种用于测量气体压力、温度等状态的探测设备，这相对于将探测设备直接设置于冷却容器3中要容易一些，便于安装操作。如图2所示，冷却装置进一步包括一个失超探测器11，该失超探测器11通过服务塔8与导线6相连接。当超导磁体出现失超时，不同超导线圈会产生不同电压信号，经过导线6、服务塔8输入到失超探测器11上，用以探测具体是那个超导线圈先发生失超。失超探测器11还可以与一个阀控制器17相连，阀控制器17可以连在失超探测器与服务塔8之间的连线上，也可以单独连接到失超探测器11上。阀控制器17接收来自失超探测器11探测到的失超信号，并根据失超信号控制截止阀19关闭。亦即，导线6可以在磁体4出现失超现象时，提供不同的电压信号给失超探测器11，失超探测器11根据该电压信号产生一个失超信号提供给阀控制器17，随后阀控制器17根据失超信号将截止阀19关闭，使得失超后流出的大量气体不会影响真空泵16。

参见图2，在负极管9和正极管10靠近低温容器3的一端的外侧可以进一步设置有一个冷却管15，具体来说，该冷却管15围绕设置在负极管9和正极管10外侧。冷却管15中通有辅助冷却剂，用于对冷却管15进行辅助冷却。辅助冷却剂为液氮，当然，该辅助冷却剂也可以其他的物质，例如液氦等。本发明实施例中，冷却管15是超导磁体4的一部分，在励磁初期，向冷却管15中供入液氮，用以冷却正极管10和负极管9以及负极管9中的导线6，吸收了热量以后的氮气从沿图2所示的箭头方向排出。这种设计可以消除由于正极管10和负极管9以及导线6在励磁时的发热所带来的温度升高到励磁装置的影响，降低了失超发生的概率。

下面，对本发明的励磁装置的操作过程进行详细描述。

在锻炼性励磁装置工作之前，通过真空泵16以及调节阀18对低温容器3内的压力和温度进行调整。同时在冷却管道15中供入液氮，用以冷却正极管10和负极管9以及负极管9中的导线6，吸收了热量以后的氮气从沿图2所示的箭头方向排出。这种设计可以消除由于正极管10和负极管9以及导线6发热所带来的温度升高到励磁装置的影响，进一步降低了失超发生的概率。

由于本发明对低温容器3抽气，可以使得低温容器3内的超导磁体4低于2.17K，并且当超导磁体4的温度低于2.17K时之后才开始锻炼性励磁，在这种温度下，液氦是超流体，具有极强的导热能力和超流动性。由于磁体的温度降低了2K左右(与常规励磁相比)，同时磁体4的支架和超导线圈与超流体之间的热交换大大增加，磁体支架和超导线圈表面形成的超流体膜也进一步降低了超导线圈的温度。所有这些都降低了超导线圈温度超过临界温度的可能性，从而降低了锻炼性励磁阶段的失超率。

如果磁体4出现失超现象，阀控制器17就会收到来自失超探测器11的一个失超信号，随后阀控制器17根据该失超信号将关闭截止阀19，失超气体就不会影响真空泵16。

在磁体达到预定场强后，继续将磁体保持在超流体中几个小时，然后关闭截止阀19和真空泵16使超导磁体温度缓慢升到至正常值4.2K附近，并在4.2K保持1小时左右然后再退磁。退磁结束后，结束锻炼性励磁。

一般来说，锻炼性励磁结束后，磁体的超导线圈的位置就基本稳定，超导线圈细微移动就少多了。磁体经过初期的锻炼性励磁后，再采用传统的设备和方法励磁(这时冷却管15中不需要通辅助冷却剂，目的是使励磁在医院现场操作更简单方便，降低励磁的成本)，励磁之前也不须使用真空泵16来将磁体温度降到超流温区。

本发明用于磁体初始阶段的锻炼性励磁过程，采用了真空泵来控制低温容器内的压力，使磁体在初始阶段的励磁温度降低到超流氦温区，本发明提出的这种励磁装置可以提高磁体超导线的冷却速度和温度余量，因而降低了锻炼性励磁的失超率，从而降低了磁体的制造成本。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于超导磁体(4)的冷却装置，该冷却装置包括：

一个容纳所述超导磁体(4)的低温容器(3)，该低温容器(3)中具有用来冷却所述超导磁体(4)的冷却剂；

一个排气管路(14)，该排气管路(14)一端与所述低温容器(3)连通，另一端与外界环境相通；

所述排气管路(14)上设有一个允许向外界环境排出气体的失超阀(12)；

一个真空泵(16)，该真空泵(16)通过一个抽气管路(30)与所述排气管路(14)位于所述失超阀(12)和低温容器(3)之间的部分连通。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，在所述真空泵(16)与低温容器(3)之间还设置有一个调节阀(18)。

3.根据权利要求1或2所述的冷却装置，其特征在于，在所述真空泵(16)与低温容器(3)之间还设置有一个截止阀(19)。

4.根据权利要求3所述的冷却装置，其特征在于，进一步包括一个用于探测超导磁体(4)是否失超的失超探测器(11)，所述失超探测器(11)与一个阀控制器(17)相连，所述阀控制器(17)根据来自所述失超探测器(11)的失超信号控制所述截止阀(19)关闭。

5.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述超导磁体(4)通过一个负极管(9)和一个正极管(10)与一个励磁电源(13)导电相连；

在所述负极管(9)和正极管(10)靠近所述超导磁体(4)的一端的外侧设置有冷却管(15)，所述冷却管(15)中通有辅助冷却剂，用于对所述负极管(9)和正极管(10)进行辅助冷却。

6.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述辅助冷却剂为液氮或液氦。

7.根据权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却管(15)围绕所述负极管(9)和所述正极管(10)设置。

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