CN102737806B - 一种高温超导磁体传导制冷结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导磁体传导冷却结构，所冷却的高温超导磁体由至少一个高温超导双饼组成，高温超导双饼结构包括：黄铜骨架、上层单饼、下层单饼、聚酰亚胺薄膜、环氧板。其中上、下两成线饼由导冷铜带和高温超导带材并绕而成。本结构采用“铜导冷杆+黄铜骨架”、“铜导冷片”和“导冷铜带”三级导冷结构，可以将制冷机的冷量快速而均匀的导入高温超导磁体每匝高温超导带材的表面，可以起到极佳的制冷效果。本结构充分考虑了降低热阻，降低导冷结构涡流损耗，及减少导冷结构发热对高温超导磁体影响的问题。本发明可以保证所传导冷却的高温超导磁体快速降温，可靠运行。

Description

一种高温超导磁体传导制冷结构

技术领域

本发明属于高温超导磁体传导制冷技术，具体涉及一种高温超导磁体传导制冷结构。

背景技术

随着高温超导材料性能的不断提高及G-M制冷机制冷功率的大幅提升，目前20~30K（开尔文温度）已经成为高温超导高场磁体最为经济的运行温区。要将数百公斤重的高温超导磁体冷却到这一温区主要有两类方式。方式一是低温气体对流制冷，例如冷氦气制冷，氦气通过G-M制冷机制冷后通过高温超导磁体表面进行热量交换。对流制冷的优势在于制冷速度快，磁体温度梯度小；缺点在于杜瓦结构复杂，设备成本高。另一种方式是传导制冷，其基本原理是利用真空技术来消除磁体与外界环境之间的对流换热，利用热辐射屏蔽技术来大幅削弱外界的热辐射，之后，通过导冷结构将G-M制冷机的冷量传导到高温超导磁体表面，实现磁体的冷却。传导制冷的优势在于能耗低，设备简单，结构紧凑，便于维护，适用于需要移动使用的设备。主要缺点为降温速度较慢，温度梯度较大。

为了提高高温超导磁体传导制冷结构的制冷速度，减小磁体内部的温度梯度，需要从两个方面进行改进。一方面要为导冷结构选择合适的材料，设计合理的结构，制定可靠的加工工艺；另一方面也需要对采用传导冷却的高温超导磁体进行有针对性的设计，减小高温超导磁体与导冷结构的接触热阻，同时在不增加磁体发热量得情况下提高高温超导磁体的导热特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温超导磁体传导制冷结构，它可以提高高温超导磁体传导制冷的制冷速度，并且可以减小磁体内部的温度梯度。

本发明提供的一种高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，该结构包括至少一个双饼导冷单元；

所述双饼导冷单元包括黄铜骨架、铜导冷片、上层单饼、下层单饼、聚酰亚胺薄膜和环氧板；所述黄铜骨架是有切口的圆环，黄铜骨架为具有不同半径的两个同心圆环形铜片套在一起的双层结构；所述上层单饼和下层单饼，均是由导冷铜带和带绝缘的高温超导带材并联一起，以黄铜骨架为轴心绕制而成，上层单饼与下层单饼的绕行方向相反，高温超导带材均比导冷铜带长；上、下层单饼中，高温超导带材内侧引出端连接在一起，外侧引线端均被处理成为引线端子；导冷铜带的内侧引出端均固定在黄铜骨架上，导冷铜带外引线端均与高温超导带材粘接在一起；聚酰亚胺薄膜夹放在上层单饼和下层单饼中间，构成超导双饼；铜导冷片整体呈圆环状，铜导冷片的圆环沿半径方向均被一个去环流切口切开，另外圆环的内侧开有降涡流齿槽；超导双饼固定在上、下两层铜导冷片之间，超导双饼与上、下两层铜导冷片之间均设置有环氧板；各铜导冷片的外沿上均匀分布有开孔；

铜导冷片的各开孔内安装有铜导冷杆，在上、下相邻的两个铜导冷片之间的铜导冷杆部分外套有套管；

上金属法兰和下金属法兰之间设置有至少一个所述双饼导冷单元，并通过金属连接杆固定。

本发明中，导冷片，上、下法兰，黄铜骨架的设计均充分考虑了高温超导磁体工作过程中涡流损耗的问题，有在交变磁场中低涡流损耗的特点。导冷杆与导冷片之间设有铜套管，可以大幅减小导冷构造的热阻，有利于减小高温超导磁体的温度梯度。高温超导磁体内部融入了冷却铜带，可以大幅提高高温超导磁体的导热率，从而可以加快磁体的冷却速度，同时也可以起到减小磁体温度梯度的效果。另外黄铜骨架不仅起到磁体的支撑作用，而且也具有一定的导冷功能，可以减小磁体内侧的温度梯度。

附图说明

图1为本发明实例提供的高温超导磁体传导制冷结构的示意图；

图2为图1中高温超导双饼结构示意图；其中，图2（b）是图2（a）的剖视图，图2（d）是图2（b）的正视图，图2（c）分别是上、下单饼的俯视图；

图3为铜套管结构示意图；

图4为铜导冷片结构示意图；

图5为高温超导磁体传导制冷结构中的支撑部分结构示意图；

图6为聚四氟乙烯垫片结构示意图；

图7为SMES磁体从20℃到20K的降温过程示意图；

图8为SMES磁体在20K下，磁体在15s内从空载到达100kJ储能过程中磁体的温升情况示意图；

图9为SMES磁体在20K下进行50kW功率交换时，1s内磁体的温升情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实例提供的高温超导磁体传导制冷结构包括至少一个双饼导冷单元和至少一个铜导冷杆1。

如图2所示，双饼导冷单元包括黄铜骨架4、铜导冷片3、上层单饼11、下层单饼12、聚酰亚胺薄膜16和环氧板17。

黄铜骨架4是每个双饼导冷单元的内部支撑，是有切口的不完整圆环。每个黄铜骨架4是由两个具有不同半径的同心圆环形铜片套在一起的双层整体结构。

上层单饼11和下层单饼12，均是由导冷铜带9和带绝缘的高温超导带材10并联一起，以黄铜骨架4为轴心绕制而成，上层单饼11与下层单饼12的绕行方向相反，导冷铜带9的宽度比高温超导带材10的宽度要大。上层单饼11的高温超导带材10内侧引出端15与下层单饼的高温超导带材10内侧引出端15’连接在一起，上、下层单饼11、12中高温超导带材10的外侧引线端均被处理成为引线端子13。上、下层单饼11、12中高温超导带材10均比导冷铜带9长，导冷铜带9的内侧引出端固定在黄铜骨架4上，使黄铜骨架4可以有效的将冷量传导到导冷铜带9上，从而实现将铜导冷片3的冷量传入超导双饼导冷单元的内部，传递到每匝高温超导带材的表面。导冷铜带外引线端14通过低温胶与高温超导带材10粘接在一起。

如图4所示，铜导冷片3整体呈圆环状,圆环的内径与上层单饼11的内径保持一致,圆环的外径与下层单饼12的外径保持一致。为了减小涡流损耗，每个铜导冷片的圆环沿半径方向均被一个去环流切口18切开，其长度为圆环的宽度，宽度的优选值为1~5mm，另外圆环的内侧开有降涡流齿槽19，降涡流齿槽19的长度优选不超过圆环宽度的2/3，高度与去环流切口18的宽度相同，相邻降涡流齿槽19的间隔优选值为1~2cm。铜导冷片3的外沿还有至少1个开孔的连接端子20，用于与铜导冷杆1连接。铜导冷片3的主要作用是将铜导冷杆1的冷量沿高温超导磁体径向传递到磁体内部的黄铜骨架和每个高温超导双饼的表面。

如图2所示，聚酰亚胺薄膜16夹放在上、下层单饼11、12中间，并同上、下层单饼11、12一起构成了超导双饼结构，超导双饼被上、下两层铜导冷片3固定，并通过上、下两层铜导冷片传导的冷量来实现对超导双饼的冷却。上、下层单饼11与铜导冷片3之间均设置有环氧板17。

高温超导磁体由至少一个超导双饼组成，总体呈单螺线管形状。当多个双饼导冷单元叠加在一起，其顶部和底部分别设置有上金属法兰6和下金属法兰，上金属法兰6和下金属法兰7之间通过金属连接杆5固定。各铜导冷片3的外沿上的开孔上、下对齐，各开孔内放置有铜导冷杆1，套管2位于相邻两层导冷片之间，套在每根铜导冷杆1的外侧，其厚度优选值为1~2mm，用于减小铜导冷杆1与铜导冷片3之间的热阻。杆的数目不1为时，多跟杆在环向均匀分布。

多个双饼导冷单元叠加在一起时，黄铜骨架4的两层黄铜环片沿轴线 方向彼此上、下错开（错开的距离优选1~2mm），这种结构对制冷结构可以起到更好的定位作用。

铜导冷杆1和黄铜骨架4构成导冷结构的内外主制冷通道，用于将制冷机的冷量分别从内测和外侧传递到高温超导磁体的各个基本模块——超导双饼（本发明所涉及的高温超导磁体由至少一个高温超导双饼组成）。铜导冷杆1的直径和数量根据磁体体积及外形而定，导冷杆的数量至少为一个，且当杆的数目不为1时，多跟杆在环向均匀分布。

黄铜骨架4、金属连接杆5、上金属法兰6和下金属法兰7构成高温超导磁体传导制冷结构中的支撑部分。

它们配合使用实现高温超导磁体及各导冷部件的固定。另外，为了减少上的涡流损耗同时保证其机械强度，上、下金属法兰6、7开有圆角矩形的通孔用于安装金属连接杆5，这样使得上、下金属法兰6、7的涡流损耗可以降低。为了减小超导磁体工作时，上、下金属法兰6、7发热带来的影响，本发明在上、下金属法兰6、7与邻近的铜导冷片3之间设计了如图6所示的聚四氟乙烯垫片8，垫片上开有通孔21用于穿过铜导冷杆1和金属连接杆5。

这样通过“铜导冷杆1+黄铜骨架4”、“铜导冷片3”和“导冷铜带9”三级导冷结构，可以将制冷机的冷量快速而均匀的导入高温超导磁体每匝高温超导带材10的表面，可以起到极佳的制冷效果。

本发明提供的传导制冷结构中，金属法兰和金属连接杆可以采用不锈钢等导热特性和低温材料特性均较好的材料。

实例：

以100kJ/50kW SMES磁体的传导制冷方案为实施例对本发明加以介绍，设计要求高温超导磁体从20℃降温至20K所需时间不超过8小时。在20K下，磁体在15s内从空载到达100kJ储能过程中磁体的温升不超过5K。在20K下进行50kW功率交换时，每秒温升不超过2K。

100kJ/50kW SMES磁体的主要参数如表1所示

表1 100kJ/50kW SMES磁体主要参数

超导带材	Bi-2223
		工作温度	20K
电感值	11.9H
		最大工作电流	129A
磁体结构	单螺线管
		超导双饼数目	28个
超导双饼内径	340mm
		超导双饼外径	460mm
超导双饼高度	10mm

根据高温超导磁体的结构特点，传导制冷结构的基本参数如表2所示

表2传导制冷结构的主要参数

磁体从293.15K（20℃）降温至20K所需时间约为4.5小时，降温过程如图7所示，计算过程采用有限元仿真软件完成。

磁体在20K下，在15s内从空载到达100kJ储能过程中，磁体的温升过程如图8所示。采用有限元仿真，假设工况为励磁电流采用正弦波加载，电流幅值为129A，周期为60s，超导磁体交流损耗及导冷结构涡流损耗均采用间接耦合方式加载。磁体在充磁储能过程中最大温升为3.1K。

磁体在20K下，进行50kW功率交换时，1s内磁体各部分的温升情况如图9所示。采用有限元仿真，假设工况为励磁电流采用直流叠加交流模式，直流部分电流值为80A，交流部分电流幅值为3A，周期为50Hz，超导磁体交流损耗及导冷结构涡流损耗均采用间接耦合方式加载。磁体在能量交换过程中最大温升约为1.3K，出现在磁体中部。

综合分析以上计算结果，采用本发明而得到的设计方案完全符合高温超导磁体的制冷需求。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，该结构包括至少一个双饼导冷单元；

所述双饼导冷单元包括黄铜骨架、铜导冷片、上层单饼、下层单饼、聚酰亚胺薄膜和环氧板；所述黄铜骨架是有切口的圆环，黄铜骨架为具有不同半径的两个同心圆环形铜片套在一起的双层结构；所述上层单饼和下层单饼，均是由导冷铜带和带绝缘的高温超导带材并联一起，以黄铜骨架为轴心绕制而成，上层单饼与下层单饼的绕行方向相反，高温超导带材均比导冷铜带长；上、下层单饼中，高温超导带材内侧引出端连接在一起，外侧引线端均被处理成为引线端子；导冷铜带的内侧引出端均固定在黄铜骨架上，导冷铜带外引线端均通过低温胶与高温超导带材粘接在一起；聚酰亚胺薄膜夹放在上层单饼和下层单饼中间，构成超导双饼；铜导冷片整体呈圆环状，铜导冷片的圆环沿半径方向均被一个去环流切口切开，另外圆环的内侧开有降涡流齿槽；超导双饼固定在上、下两层铜导冷片之间，超导双饼与上、下两层铜导冷片之间均设置有环氧板；各铜导冷片的外沿上均匀分布有开孔；

铜导冷片的各开孔内安装有铜导冷杆，在上、下相邻的两个铜导冷片之间的铜导冷杆部分外套有套管；

上金属法兰和下金属法兰之间设置有至少一个所述双饼导冷单元，并通过金属连接杆固定。

2.根据权利要求1所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，所述去环流切口的长度为圆环的宽度，宽度为1～5mm。

3.根据权利要求2所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，所述降涡流齿槽的长度小于等于圆环宽度的2/3，高度与去环流切口的宽度相同，相邻降涡流齿槽的间隔为1～2cm。

4.根据权利要求1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，黄铜骨架的两层同心圆环形铜片上、下错开距离为1～2mm。

5.根据权利要求1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，所述套管的厚度为1～2mm。

6.根据权利要求1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，所述导冷铜带的宽度大于高温超导带材的宽度。

7.根据权利要求1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，上、下金属法兰上用于安装金属连接杆的通孔为圆角矩形。

8.根据权利要求1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，该传导制冷结构包括多个超导双饼，高温超导磁体总体呈单螺线管形状。

9.根据权利要求书1、2或3所述的高温超导磁体传导制冷结构，其特征在于，所述金属连接杆和金属法兰为不锈钢材料制作而成。

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