CN103366917B - 制冷装置和高温超导磁体制冷装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制冷装置，其包括一传导制冷单元及一浸泡制冷单元；所述传导制冷单元包括一制冷机、一外层密封壳体及一导冷骨架，所述制冷机包括一冷头，所述冷头和导冷骨架均位于所述外层密封壳体内；所述浸泡制冷单元包括一内层密封壳体、一流体注入管及一流体排出管；所述内层密封壳体位于所述外层密封壳体内，所述流体注入管和流体排出管均位于所述内层密封壳体上，并贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体设置；所述导冷骨架的一端位于所述内层密封壳体外且与所述冷头相连，所述导冷骨架的另一端延伸至所述内层密封壳体内。本发明还提供一种高温超导磁体制冷装置。

Description

制冷装置和高温超导磁体制冷装置

技术领域

本发明涉及一种制冷装置，以及一种高温超导磁体制冷装置。

背景技术

高温超导材料自20世纪80年代被发现以来得到迅猛发展，利用高温超导材料绕制磁体与低温超导磁体相比，主要优势体现在：高温超导磁体可在较高的温度下运行，可使用制冷机传导制冷，杜瓦结构简单，免去使用液态制冷剂带来的不便与安全隐患，便于机动使用；可进行反复快速励磁放电,可提高磁体系统的稳定性与安全度；可在较高的磁场下工作（可达30特斯拉以上）。

高温超导磁体需工作在低温环境下，低温环境的获得，大体上有两种方法。一种是利用液体或者气态媒质，如液氮、液氦、冷氦气等将磁体整体浸泡在此类媒质中，获得与媒质相同的温度。这种浸泡制冷方式制冷速度比较快，但受到媒质的获取、储存、运输等诸多限制，并不适合在野外使用。比如目前液氦资源提取自天然气并要求矿井周围同时有铀矿，是非常珍贵的战略资源，我国本身基本不具备液氦生产能力。液氦的主要输出国美国自2007年开始将液氦定为战略资源限制出口，这一举动导致液氦在国内的市场价已经飙升3～5倍，在特殊时期供应更是无法保障。

为了弥补浸泡制冷方式的不足，高温超导磁体还可以采用制冷机进行传导制冷，制冷机可采用G-M式制冷机或者脉冲管制冷机。工作时磁体通过固态冷却通道与冷头连接，磁体与冷头整体置于真空腔体内，通过固态冷却通道逐级冷却磁体。传导冷却方式概念简单，但实际使用过程中，由于热机效率问题，冷头的制冷量有限并随温度降低呈现急剧降低，所以利用传导冷却方式制冷大型磁体，一般都需要几个甚至几十个小时，十分不利于一些需要快速部署的场合。同时由于磁体与冷却通道存在众多接触面，每个接触面都会产生接触热阻，磁体整体的热均匀性比较难以保证，这对于传导制冷的设计制造工艺都提出了很大的挑战。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种制冷装置，该制冷装置既可在传导制冷模式下工作，也可在浸泡制冷模式下工作，还可同时在上述两种制冷模式下工作。

本发明提供一种制冷装置，其包括：一传导制冷单元和一浸泡制冷单元；所述传导制冷单元包括一制冷机、一外层密封壳体及一导冷骨架；所述浸泡制冷单元包括一内层密封壳体、一流体注入管和一流体排出管。其中，所述导冷骨架和内层密封壳体均位于所述外层密封壳体内。所述导冷骨架的一端位于所述内层密封壳体外，所述导冷骨架的另一端延伸至所述内层密封壳体内。所述流体注入管和流体排出管均贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体。

进一步地，所述外层密封壳体的腔壁上设置有一外腔抽气阀。所述制冷机包括一压缩机、一冷凝器、一冷风机、至少一冷头以及至少一电磁阀门等。其中，所述冷头位于所述外层密封壳体内，所述压缩机、冷凝器、冷风机和电磁阀门等位于所述外层密封壳体外。

进一步地，所述浸泡制冷单元还包括一内腔排气管、一气压表以及多个电磁阀门等。其中，所述内腔排气管贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体，所述气压表连接于所述内腔排气管上，所述多个电磁阀门分别位于所述流体注入管、流体排出管和内腔排气管上。

本发明还提供一种高温超导磁体制冷装置，其包括：一传导制冷单元、一浸泡制冷单元及一高温超导磁体；所述传导制冷单元包括一制冷机、一外层密封壳体及一导冷骨架，所述制冷机包括一冷头，该冷头和导冷骨架均位于所述外层密封壳体内；所述浸泡制冷单元包括一内层密封壳体、一流体注入管及一流体排出管，所述内层密封壳体位于所述外层密封壳体内，所述流体注入管和流体排出管均位于所述内层密封壳体上，并贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体设置；所述导冷骨架的一端位于所述内层密封壳体外且与所述冷头相连，所述导冷骨架的另一端延伸至所述内层密封壳体内；所述高温超导磁体位于所述内层密封壳体内，且与所述导冷骨架相接触。

与现有技术相比，本发明提供的制冷装置及高温超导磁体制冷装置，通过导冷骨架实现了传导制冷模式和浸泡制冷模式的整合，因此能提供多种模式的制冷，即，待冷却物体既可以工作在传导制冷模式下，也可以工作在浸泡制冷模式下，或者工作在混合制冷模式下。待冷却物体在利用传导制冷提供稳定制冷的同时，还可以利用浸泡制冷的方式实现快速制冷。另外，本发明的制冷装置还提供一种高压气体保护状态下的传导制冷模式，从而可提高待冷却物体的温度均匀性。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的制冷装置的结构示意图。

图2是本发明实施例二提供的制冷装置的结构示意图。

图3是本发明实施例三提供的高温超导磁体制冷装置的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的制冷装置中一体式流体注入管的结构示意图。

图5是本发明实施例提供的制冷装置中可分体式流体注入管的结构示意图。

主要元件符号说明

100	制冷装置
		110	传导制冷单元
120	浸泡制冷单元
		10	制冷机
12	一级冷头
		14	二级冷头
16	冷屏
		18	导冷骨架
20	外层密封壳体
		22	外腔抽气阀
30	内层密封壳体
		40	流体注入管
50	流体排出管
		60	内腔排气管
70	气压表
		80	高温超导磁体
82	室温腔体

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的制冷装置做进一步的详细说明。

实施例一

请参见图1，本发明实施例一提供一种制冷装置100，其包括一传导制冷单元110和一浸泡制冷单元120。其中，所述传导制冷单元110通过传导制冷模式对待冷却物体进行制冷，所述浸泡制冷单元120通过浸泡制冷模式对待冷却物体进行制冷。

所述传导制冷单元110包括一制冷机10、一外层密封壳体20和一导冷骨架18。所述制冷机10用于对待冷却物体进行制冷，所述外层密封壳体20用于密封所述待冷却物体，所述导冷骨架18位于所述外层密封壳体20内，且连接于所述制冷机10与待冷却物体之间，用于导冷。

所述制冷机10可为G-M式制冷机或脉冲管制冷机。本实施例中，所述制冷机10为一台单级G-M式制冷机。所述制冷机10包括一一级冷头12。进一步地，所述制冷机10还包括压缩机、冷凝器、冷风机和电磁阀门等常规部件（图未示）。所述一级冷头12位于所述外层密封壳体20内；所述制冷机10的其他常规部件均位于所述外层密封壳体20外。所述一级冷头12的一端与所述制冷机的其他常规部件相连，所述一级冷头12的另一端与所述导冷骨架18相连，用于制冷。本实施例中，所述一级冷头12在77K可提供100W的制冷量。

所述外层密封壳体20上设置有一外腔抽气阀22，用于控制所述外层密封壳体20内气体的进出。

所述浸泡制冷单元120包括一内层密封壳体30、一流体注入管40以及一流体排出管50。

所述内层密封壳体30位于所述外层密封壳体20内，并与所述一级冷头12相连接。本实施例中，所述内层密封壳体30通过所述导冷骨架18与所述一级冷头12相连接。所述内层密封壳体30用于密封所述待冷却物体。

所述流体注入管40和流体排出管50均位于所述内层密封壳体30上，并贯穿于所述内层密封壳体30和外层密封壳体20。所述流体注入管40和流体排出管50用于所述内层密封壳体30内冷却液的输入和输出。所述冷却液包括液氮、液氦等低温冷媒。

进一步地，所述浸泡制冷单元120还包括多个电磁阀门，分别位于所述流体注入管40和流体排出管50上，用于控制所述内层密封壳体30内液体和气体的输入和输出。本实施例中，所述多个电磁阀门分别设置于所述流体注入管40和流体排出管50位于所述内层密封壳体30与外层密封壳体20之间的位置。所述多个电磁阀门均采用耐低温的材料制成，其至少可在4K的低温下正常工作。

实施例二

请参见图2，本发明实施例二提供另一种制冷装置100，其包括一传导制冷单元110和一浸泡制冷单元120。

与实施例一不同，本实施例二中的传导制冷单元110中的制冷机10为一台双级G-M制冷机，其包括一一级冷头12、一二级冷头14及一冷屏16。所述一级冷头12、二级冷头14、冷屏16均位于所述外层密封壳体20内。所述冷屏16为一壳体结构，用于阻止外界向待冷却物体的热辐射；其中，所述二级冷头14和导冷骨架18均位于所述冷屏16内；所述一级冷头12位于所述冷屏16外。所述二级冷头14位于所述一级冷头12和导冷骨架18之间，并分别与所述一级冷头12和导冷骨架18相连接。所述导冷骨架18位于所述二级冷头14和待冷却物体之间，并在工作状态时直接与待冷却物体接触，用于向待冷却物体导冷。本实施例二中，所述一级冷头12在77K可提供100W的制冷量，所述二级冷头14在25K可提供15W的制冷量。可以理解，与实施例一相同，所述制冷机10还包括压缩机、冷凝器、冷风机和电磁阀门等常规部件（图未示）。

与实施例一不同，本实施例二中的浸泡制冷单元120包括一内层密封壳体30、一流体注入管40、一流体排出管50、一内腔排气管60以及一气压表70。所述内层密封壳体30、流体注入管40和流体排出管50的位置关系与实施例一中相同。

所述内腔排气管60位于所述内层密封壳体30上，用于所述内层密封壳体30内气体的输入和输出。所述气体包括冷氦气、常温氦气等。

所述气压表70设置于所述内腔排气管60上，用于检测所述内层密封壳体30内的气体压强。

实施例一、二中所述的制冷装置100可处理的待冷却物体种类不限，并可根据不同的待冷却物体选择不同的制冷模式。

实施例三

请参见图3，本发明实施例三提供一种高温超导磁体制冷装置100。该高温超导磁体制冷装置100的结构与实施例二中的制冷装置100的结构基本相同。唯一的区别是，所述高温超导磁体制冷装置100中的待冷却物体为一高温超导磁体80。该高温超导磁体80可由一高温超导导线绕制而成。该高温超导导线的材料不限。本实施例中，所述高温超导导线的材料为Bi2223。可以理解，当所述高温超导磁体80的主要功能是为一回旋管器件提供背景场时，该高温超导磁体80可以是一个带室温腔体82的磁体系统。所述室温腔体82同轴设置于该高温超导磁体80内。

本实施例中，所述导冷骨架18包括一第一传导部、一连接部以及一第二传导部。所述连接部贯穿所述内层密封壳体的一侧壁，该连接部用于连接所述第一传导部与第二传导部。所述第一传导部与所述二级冷头14相连，所述第二传导部与所述高温超导磁体80相接触。具体地，所述第二传导部分别与所述高温超导磁体80的两端相接触。

如图4所示，实施例一、二、三中所述的流体注入管40的管体均可采用一体式设计，当采用一体式设计时，所述流体注入管40的管体可采用加长设计，并用低热导率材料制成，如玻璃钢、塑料、陶瓷等，从而抑制外界通过管体向所述内层密封壳体30进行热传导。同样地，所述流体排出管50和内腔排气管60也可采用与所述流体注入管40相同的设计。

如图5所示，实施例一、二、三中所述的流体注入管40的管体也均可采用可分体式设计，即可插拔设计。所述流体注入管40的管体包括一固定部分及一活动部分，所述固定部分固定于所述内层密封壳体30上，所述活动部分与所述外层密封壳体活动连接，并可相对于所述固定部分做指向该固定部分的往复运动，以实现所述流体注入管40的管体的分离与对接。具体地，所述流体注入管40的管体与所述外层密封壳体20结合部位的活动部分采用直线动密封部件。当待冷却物体进入制冷工作状态后，所述活动部分可拉起，断绝与所述内层密封壳体30的连接，从而彻底切断外界热量向所述内层密封壳体30的热传导。

下面将结合上述附图和具体实施例详细说明本发明的高温超导磁体制冷装置100对于所述高温超导磁体80的多模式制冷过程。

（1）标准的传导制冷模式

首先，将所述高温超导磁体80封装在所述内层密封壳体30内。其中，所述高温超导磁体80通过所述导冷骨架18与所述二级冷头14相连。

其次，打开控制所述内腔排气管60的电磁阀门，利用所述内腔排气管60对所述内层密封壳体30进行抽真空处理。同时，通过所述外腔抽气阀22对所述外层密封壳体20进行抽真空处理。待所述内层密封壳体30和外层密封壳体20均进入真空状态后，关闭所有电磁阀门。

最后，启动所述制冷机10对所述高温超导磁体80进行标准的传导制冷。

在该标准传导制冷模式下，通过实测所述高温超导磁体80的温度发现，在开启所述制冷机10大约5小时30分钟后达到预设温度25K。通过所述高温超导磁体80上分布的探头测试得知，所述高温超导磁体80整体温度最大相差约5K。

（2）高压气体保护下的传导制冷模式

首先，将所述高温超导磁体80封装在所述内层密封壳体30内。其中，所述高温超导磁体80通过所述导冷骨架18与所述二级冷头14相连。

其次，打开控制所述内腔排气管60的电磁阀门，利用所述内腔排气管60对所述内层密封壳体30进行抽真空处理。同时，通过所述外腔抽气阀22对所述外层密封壳体20进行抽真空处理。待所述内层密封壳体30和外层密封壳体20均进入真空状态后，关闭所有电磁阀门。

再次，打开控制所述内腔排气管60的电磁阀门，利用所述内腔排气管60对所述内层密封壳体30充高压氦气，并通过所述气压表70观测气压，待高压氦气充至1MPa左右时停止充气。

最后，在所述高压环境下，开启所述制冷机10，对所述高温超导磁体80进行高压气体保护下的传导制冷。

在该高压气体保护下的传导制冷模式下，通过实测所述高温超导磁体80的温度发现，在开启所述制冷机10大约5小时40分钟后达到预设温度25K。从进入预设温度的时间来看，该高压气体保护下的传导制冷模式对比所述标准的传导制冷模式略微提高。但通过所述高温超导磁体80上分布的探头测试得知，所述高温超导磁体80整体温度最大温差仅0.5K，对比所述标准的传导制冷模式，所述高温超导磁体80的温度均匀性有了很大的提高。这充分说明该高压气体保护下的传导制冷模式对于提高待冷却物体的温度均匀性有很大的作用。

（3）混合制冷模式

首先，通过所述外腔抽气阀22对所述外层密封壳体20进行抽真空处理，形成真空隔热层。

其次，打开控制所述流体注入管40的电磁阀门，通过所述流体注入管40向所述内层密封壳体30直接灌注液氮，进行至77K的快速制冷。因为液氮会在热交换过程中会大量释放氮气，所以此时所述内腔排气管60的电磁阀门需同步打开。所述高温超导磁体80无需整体浸泡在液氮中，实际操作中，通过分布在所述高温超导磁体80上的多个探头观测所述高温超导磁体80的温度。当所有探头都达到77K（液氮温度）的时候，停止加注液氮。剩余的液氮可通过所述流体排出管50导出。实测加注液氮9分钟后，所述高温超导磁体80各处温度均已达77K，停止加注液氮。将剩余液氮通过所述流体排出管50导出后关闭相应的电磁阀门。

再次，打开控制所述内腔排气管60的电磁阀门，利用所述内腔排气管60对所述内层密封壳体30进行抽真空处理。

最后，启动所述制冷机10对所述高温超导磁体80进行传导制冷。

根据实测，经过120分钟，所述高温超导磁体80进入预设工作温度25K。在该混合制冷模式下，所述高温超导磁体80从室温降至工作点温度的总时间仅需140分钟，对比标准的传导制冷模式下的5小时30分钟，制冷时间有了大大缩短，实现了快速制冷。

另外，也可在结束液氮浸泡之后，对所述内层密封壳体30进行高压氦气充气，以提高所述高温超导磁体80的温度均匀性。

（4）浸泡制冷模式

首先，通过所述外腔抽气阀22对所述外层密封壳体20进行抽真空处理，形成真空隔热层。

其次，打开控制所述流体注入管40的电磁阀门，通过所述流体注入管40向所述内层密封壳体30直接灌注液氮，进行至77K的快速制冷。待所述高温超导磁体80各处温度均已达77K时，停止加注液氮。并将剩余液氮通过所述流体排出管50导出后关闭相应的电磁阀门。

再次，打开控制所述流体注入管40的电磁阀门，通过所述流体注入管40向所述内层密封壳体30直接灌注液氦，进行至25K的快速制冷。

根据实测，加注液氦15分钟后，所述高温超导磁体80进入预设工作温度25K，即，所述高温超导磁体80从室温到预设温度的时间不超过45分钟。

最后，在上述快速制冷完毕后，利用液氦气化形成的蒸汽对所述内层密封壳体30进行高压充气。其具体方式为，待所述高温超导磁体80达到预设温度后，通过所述流体排出管50导出大部分液氦，剩余一小部分液氦在所述内层密封壳体30内，并关闭控制所述流体注入管40的电磁阀门。此时，所述内腔排气管60依然与所述内层密封壳体30连通，通过液氦自然蒸发形成的蒸汽压，缓慢进入预设充气压力。压力控制可通过与所述气压表70测量，待气压达到预设压力后，通过减压阀降压。但这种自充气方式等待时间比较长，因此也可通过所述内腔排气管60直接注入1MPa的氦气。

与现有技术相比，本发明提供的制冷装置及高温超导磁体制冷装置，能提供多种模式的制冷，利用这种制冷装置，待冷却物体既可以工作在传导制冷模式下，也可以工作在浸泡制冷模式下，或者工作在混合制冷模式下。待冷却物体在利用传导制冷提供稳定制冷的同时，还可以利用浸泡制冷的方式实现快速制冷。另外，本发明的制冷装置还提供一种高压气体保护状态下的传导制冷模式，从而可提高待冷却物体的温度均匀性。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种制冷装置，包括：

一传导制冷单元，所述传导制冷单元包括一制冷机和一外层密封壳体，所述制冷机包括一冷头，该冷头位于所述外层密封壳体内；以及

一浸泡制冷单元，所述浸泡制冷单元包括一内层密封壳体，所述内层密封壳体位于所述外层密封壳体内，所述内层密封壳体用于填充冷却液或气体；

其特征在于，所述传导制冷单元进一步包括一导冷元件，所述导冷元件的一端位于所述内层密封壳体外且与所述冷头相连，所述导冷元件的另一端延伸至所述内层密封壳体内，所述浸泡制冷单元进一步包括一流体注入管、一流体排出管及一内腔排气管，所述流体注入管、所述流体排出管及所述内腔排气管均位于所述内层密封壳体上，并贯穿所述内层密封壳体和所述外层密封壳体设置，所述流体注入管、所述流体排出管和所述内腔排气管的管体均为可分体式结构，所述管体包括一固定部分以及一活动部分，所述固定部分固定于所述内层密封壳体上，所述活动部分活动连接于所述外层密封壳体上，且可相对于所述固定部分做指向该固定部分的往复运动，以实现所述管体的分离与对接。

2.如权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷机进一步包括一冷屏，所述冷屏为一壳体结构，该冷屏位于所述外层密封壳体和内层密封壳体之间；所述冷头包括一一级冷头和一二级冷头，所述一级冷头位于所述冷屏外，所述二级冷头位于所述冷屏内；所述二级冷头的一端与所述一级冷头相连，所述二级冷头的另一端与所述导冷元件相连。

3.如权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述外层密封壳体上设置有一外腔抽气阀。

4.如权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述流体注入管、流体排出管和内腔排气管的管体均采用塑料、玻璃钢或陶瓷材料制成。

5.一种高温超导磁体制冷装置，包括：一传导制冷单元、一浸泡制冷单元及一高温超导磁体；所述传导制冷单元包括一制冷机、一外层密封壳体及一导冷元件，所述制冷机包括一冷头，该冷头和导冷元件均位于所述外层密封壳体内；所述浸泡制冷单元包括一内层密封壳体、一流体注入管、一流体排出管及一内腔排气管，所述内层密封壳体位于所述外层密封壳体内，所述流体注入管和流体排出管均位于所述内层密封壳体上，并贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体设置；所述导冷元件的一端位于所述内层密封壳体外且与所述冷头相连，所述导冷元件的另一端延伸至所述内层密封壳体内；所述高温超导磁体位于所述内层密封壳体内，且与所述导冷元件相接触，所述流体注入管、所述流体排出管和所述内腔排气管的管体均为可分体式结构，所述管体包括一固定部分以及一活动部分，所述固定部分固定于所述内层密封壳体上，所述活动部分活动连接于所述外层密封壳体上，且可相对于所述固定部分做指向该固定部分的往复运动，以实现所述管体的分离与对接。

6.如权利要求5所述的高温超导磁体制冷装置，其特征在于，所述制冷机进一步包括一冷屏，所述冷屏为一壳体结构，该冷屏位于所述外层密封壳体和内层密封壳体之间；所述冷头包括一一级冷头和一二级冷头，所述一级冷头位于所述冷屏外，所述二级冷头位于所述冷屏内；所述二级冷头的一端与所述一级冷头相连，所述二级冷头的另一端与所述导冷元件相连。

7.如权利要求5所述的高温超导磁体制冷装置，其特征在于，所述高温超导磁体制冷装置进一步包括一室温腔体，所述室温腔体的腔壁贯穿所述内层密封壳体和外层密封壳体且与所述高温超导磁体同轴设置。