CN103606430A - 高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，利用低温氦气在系统中竖直方向上的温度与密度不同，形成自然对流循环，解决了小型制冷机直接冷却方式中超导磁体冷却效果不好以及强迫对流循环冷却中必须选用价格昂贵的低温氦气泵而带来的成本高的问题；系统稳定后，运行压力较低，安全性问题得到解决；超导磁体与电流引线组成一个整体，可以直接从磁体安装空间吊出或吊入，拆装更换方便；冷却介质氦气温度可控，为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。
Description
技术领域
本发明涉及超导应用低温系统领域，具体为一种高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统。
背景技术
随着超导技术的发展，超导磁体在科研和工业中的应用越来越广泛。目前，在大型的应用场合如高能加速器、高能粒子探测器、核聚变装置等，超导磁体的应用已较为普遍，而且某些场合超导磁体几乎是唯一的选择。而在一些中小应用场合，超导磁体也有相当的发展前景，超导磁拉单晶生长炉、超导磁体分离装置、超导核磁成像装置等方面都有很大的发展。然而超导的实现离不开低温技术的应用，它为超导应用提供最基本的运行条件，是超导应用系统整体的一个重要而不可分割的部分。
常见的冷却超导磁体的方式主要有三种：1）低温液体（液氦、液氖、液氮等）浸泡方式冷却超导磁体，方法直接简单。但是由于低温容器、电流引线及支撑结构的漏热不可避免，低温液体如液氦、液氖、液氮等不断的蒸发消耗，因此需要定期补充低温液体。低温液体的使用需要丰富的低温知识和熟练的低温技术和经验，而且低温液体价格比较昂贵，加上超导磁体试验时间相对较长，因此成本较高。这些因素严重阻碍了超导磁体技术的普及和以超导磁体技术为基础的相关技术的发展。2）小型制冷机直接冷却超导磁体。这种冷却方式结构简单，不需要输入低温液体，操作时要求较少的技术支持，能提供稳态和缓慢变化的磁场。近十年来随着小型制冷机技术的突破和高温超导材料的出现，小型制冷机直接冷却超导磁体技术得到了快速发展，但是这种冷却方式冷却时间相对较长；冷却效果不均匀，对磁体绕制有特殊要求；由于没有冷量储备，制冷机失效时，超导磁体将马上升温导致失超，磁体稳定性差；磁体拆装更换操作繁琐。3）低温氦气强迫对流循环冷却，这种冷却方式冷却效果好，但是系统相对复杂，且由于循环流量以及循环压力较大，安全性较差，另外强迫对流需要低温氦气泵，这种设备国内产品可靠性差，国外产品价格相对较高。
高临界温度的超导材料的出现，使得使用高于液氦温度的低温氦气来冷却如Nb3Sn、MgB2及一些铋系高温超导材料之类的超导磁体有着广泛的应用前景，它可以选用流程简单、价格较低的制冷机和超导磁体组成闭路循环的低温氦气自循环冷却超导磁体系统。这种运行方式有着独特的优点：外围设备简化、操作简便、占地面积小、较经济；超导磁体在较高的温度有大得多的比热，其磁体稳定性较高；超导磁体的失超是渐变的，便于采取保护措施，提高安全性。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：包括有真空腔体，真空腔体顶部设为腔口且真空腔体顶部腔口盖合有封盖，封盖上安装有两台SRDK-408S制冷机，所述真空腔体内设置有内有空腔的防辐射屏，两台SRDK-408S制冷机一级冷头伸入真空腔体内与防辐射屏顶部连接，所述防辐射屏内一侧、真空腔体内相同一侧隔设有彼此连通为整体的供超导磁体吊装组件安装的磁体安装空间，防辐射屏内顶部设置有热板桥，两台SRDK-408S制冷机二级冷头伸入防辐射屏内与热板桥连接，所述热板桥底部连接有制冷机冷头换热器，还包括有热氦气流通管道、冷氦气连通管道，所述热氦气流通管道一端与制冷机冷头换热器的侧部连通，热氦气流通管道另一端连通至磁体安装空间侧部，所述冷氦气流通管道一端与制冷机冷头换热器底部连接，冷氦气流通管道另一端与磁体安装空间底部连通。
所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的冷氦气连通管道端头与制冷机冷头换热器底部之间采用真空钎焊方式形成密封，冷氦气连通管道端头与磁体安装空间底部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热氦气连通管道端头与冷氦气连通管道上侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封，热氦气连通管道端头与磁体安装空间侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热桥板将两台SRDK-408S制冷机两级冷头连接在一起，集中两台SRDK-408S制冷机的冷量于一体传递给制冷机冷头换热器。
所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热桥板上设置加热片，用以间接控制磁体安装空间氦气温度，从而为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。
本发明的有益效果：
本发明为高温超导磁体冷却问题所采用技术方案与现有的和曾有的高温超导磁体冷却方式相比有以下几方面优点和改进。
第一，本发明利用系统中竖直方向上氦气的温度与密度不同，实现低温氦气自循环，免去低温液体浸泡冷却方式中低温液体输入，解决了小型制冷机直接冷却方式中超导磁体冷却效果不好的问题，同时可以省去低温氦气强迫对流冷却方式中昂贵的氦气泵，因此操作程序得到简化，成本得到控制，冷却效果得到提高；
第二，本发明将高温超导磁体、电流引线集成在超导磁体吊装组件上，可以从磁体安装空间吊出或吊入，拆装更换超导磁体方便、快捷，解决了小型制冷机直接冷却方式中拆装更换超导磁体程序繁琐的问题；
第三，本发明在热桥板上设置加热片，通过调节制冷机冷量的方式来控制磁体安装空间氦气温度，可实现氦气温度20K-50K可控，控温精度±0.5K的效果，从而为高温超导磁体在特定温度下的性能研究提供了条件；
第四、本发明运行最高压力0.1MPa，系统稳定后，压力维持在0.01MPa至0.03MPa之间，相比较低温液体浸泡冷却方式以及低温氦气强迫对流冷却方式，安全性得到提高。
附图说明
图1为本发明结构正视图。
图2为本发明结构侧视图。
图3为本发明结构俯视图。
具体实施方式
如图1所示。高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，包括有真空腔体1，真空腔体1顶部设为腔口且真空腔体顶部腔口盖合有封盖10，封盖10上安装有两台SRDK-408S制冷机7，真空腔体1内设置有内有空腔的防辐射屏2，两台SRDK-408S制冷机一级冷头7伸入真空腔体1内与防辐射屏2顶部连接，防辐射屏2内一侧、真空腔体1内相同一侧隔设有彼此连通为整体的供超导磁体吊装组件安装的磁体安装空间3，防辐射屏2内顶部设置有热板桥9，两台SRDK-408S制冷机7二级冷头伸入防辐射屏2内与热板桥9连接，热板桥9底部连接有制冷机冷头换热器6，还包括有热氦气流通管道4、冷氦气连通管道5，热氦气流通管道4一端与制冷机冷头换热器6的侧部连通，热氦气流通管道4另一端连通至磁体安装空间3侧部，冷氦气流通管道5一端与制冷机冷头换热器6底部连接，冷氦气流通管道5另一端与磁体安装空间3底部连通。
冷氦气连通管道5端头与制冷机冷头换热器6底部之间采用真空钎焊方式形成密封，冷氦气连通管道5端头与磁体安装空间3底部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
热氦气连通管道4端头与冷氦气连通管道5上侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封，热氦气连通管道4端头与磁体安装空间3侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
热桥板9将两台SRDK-408S制冷机7两级冷头连接在一起，集中两台SRDK-408S制冷机7的冷量于一体传递给制冷机冷头换热器6。
热桥板9上设置加热片，用以间接控制磁体安装空间氦气温度，从而为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。
本发明中，高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统包括真空腔体1，防辐射屏2，磁体安装空间3，热氦气流通管道4，冷氦气流通管道5，制冷机冷头换热器6，SRDK-408S制冷机7，超导磁体吊装组件8，热桥板9等，防辐射屏2与SRDK-408S制冷机一级冷头相连；热桥板9与SRDK-408S制冷机二级冷头相连；制冷机冷头换热器6与热桥板9相连；热氦气流通管道4一端与制冷机冷头换热器6的侧部连通，一端与磁体安装空间侧部相连，位置稍高于高温超导磁体顶部；冷氦气连通管道5一端与制冷机冷头换热器6相连，一端与磁体安装空间3底部相连；超导磁体吊装组件8安装在磁体安装空间3中。
冷氦气连通管道5与制冷机冷头换热器6采用真空钎焊方式形成密封，与磁体安装3采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
热氦气连通管道4与冷氦气连通管道5采用高纯氩气保护焊方式形成密封，与磁体安装空间3采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
超导磁体吊装组件8由高温超导磁体、高温超导电流引线、高温超导电流引线高温超导电流引线液氮注入管道、抽空置换阀门、充放气阀门、安全阀、压力表等组成。其整体可以从磁体安装空间吊出或吊入，拆装更换超导磁体方便快捷。
热桥板9将两台SRDK-408S制冷机二级冷头连接在一起，集中两台制冷机的冷量于一体传递给制冷机冷头换热器6；冷头换热器与热桥板之间设置铟片以减小接触热阻。
热桥板9上设置加热片，用以间接控制磁体安装空间氦气温度，从而为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。
在结构上，设备选择上，原理上，本发明的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统与最接近的的现有技术共有的必要技术特征是：（1）设置真空腔体，为超导磁体磁体提供绝热环境；（2）设置制冷机，为系统提供冷量；（3）设置防辐射屏，与制冷机一级冷头相连，减小系统辐射漏热在结构上；（4）设置电流引线，为超导磁体通电。在结构上，设备选择上，原理上，本发明与最接近的现有技术不同的技术特征是：（1）利用低温氦气在系统竖直方向上的温度与密度不同，形成自然对流循环，无需其他外界设备促使系统循环，成本得到控制；（2）系统稳定后，运行压力较低，安全性得到提高；（3）冷却介质氦气温度能够控制，为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件；（4）超导磁体与电流引线做成一个组件，可以从磁体安装空间吊出或吊入，拆装更换超导磁体方便快捷。
Claims (5)
1.高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：包括有真空腔体，真空腔体顶部设为腔口且真空腔体顶部腔口盖合有封盖，封盖上安装有两台SRDK-408S制冷机，所述真空腔体内设置有内有空腔的防辐射屏，两台SRDK-408S制冷机一级冷头伸入真空腔体内与防辐射屏顶部连接，所述防辐射屏内一侧、真空腔体内相同一侧隔设有彼此连通为整体的供超导磁体吊装组件安装的磁体安装空间，防辐射屏内顶部设置有热板桥，两台SRDK-408S制冷机二级冷头伸入防辐射屏内与热板桥连接，所述热板桥底部连接有制冷机冷头换热器，还包括有热氦气流通管道、冷氦气连通管道，所述热氦气流通管道一端与制冷机冷头换热器的侧部连通，热氦气流通管道另一端连通至磁体安装空间侧部，所述冷氦气流通管道一端与制冷机冷头换热器底部连接，冷氦气流通管道另一端与磁体安装空间底部连通。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的冷氦气连通管道端头与制冷机冷头换热器底部之间采用真空钎焊方式形成密封，冷氦气连通管道端头与磁体安装空间底部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
3.根据权利要求1所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热氦气连通管道端头与冷氦气连通管道上侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封，热氦气连通管道端头与磁体安装空间侧部之间采用高纯氩气保护焊方式形成密封。
4.根据权利要求1所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热桥板将两台SRDK-408S制冷机两级冷头连接在一起，集中两台SRDK-408S制冷机的冷量于一体传递给制冷机冷头换热器。
5.根据权利要求1所述的高温超导磁体低温氦气自循环冷却系统，其特征在于：所述的热桥板上设置加热片，用以间接控制磁体安装空间氦气温度，从而为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |