CN103745796A - 一种环形高温超导磁体传导制冷结构 - Google Patents

Abstract

一种环形高温超导磁体传导制冷装置，属于超导磁体传导制冷装置，通过制冷机进行传导制冷，解决现有环形磁体传导制冷结构存在的导冷效率低、磁体热稳定性差的问题。本发明包括上导冷盘、下导冷盘、导冷棒和N个导冷单元，导冷棒两端分别与上、下导冷盘固接，导冷棒上端端部固接有铜块，铜块和上、下导冷盘组成超导环形磁体的主要热沉；N个导冷单元排列成环形位于上、下导冷盘之间；上、下导冷盘之间还穿有内侧、外侧导冷杆，用于所述上、下导冷盘之间导热。本发明可以在制冷机冷量充足的情况下使超导磁体降至预定的温度，同时提高传导制冷的冷量传导速度、减小超导磁体的温度梯度，保证超导磁体的稳定运行。

Description

一种环形高温超导磁体传导制冷结构

技术领域

本发明属于超导磁体传导制冷装置，具体涉及一种环形高温超导磁体传导制冷装置。

背景技术

随着高温超导材料性能的不断提高，超导技术正向实用化的方向发展，现有超导磁体通常由多个超导双饼叠加成螺管形或者排列成环形电气连接构成；如图1(a)、图1(b)所示，超导双饼1为圆环形，自左而右顺序由左环氧树脂环1A、左线圈1B、中环氧树脂环1C、右线圈1D和右环氧树脂环1E构成，左线圈1B和右线圈1D的匝数相同、由超导带材绕制，绕行方向相反，左线圈1B和右线圈1D中间夹放中环氧树脂环1C，左线圈1B左侧和右线圈1D右侧分别贴放左环氧树脂环1A和右环氧树脂环1E。

运行成本高是限制超导磁体发展的诸多问题之一，而超导磁体的主要运行成本是超导磁体的制冷。现有排列成环形的超导磁体一般通过浸泡制冷，或者是通过低温工质来输送冷量，这样的制冷结构复杂，维护性差，运转成本高。随着G—M制冷机制冷技术的不断发展，G—M制冷机的冷量和效率不断提高，寿命也大幅延长，为传导制冷提供了很好的冷源。使用传导制冷方式制冷虽然没有浸泡式冷却制冷速度快和磁体温差小的优点，却有很明显的优势：能耗低，结构紧凑，便于维护，可以提高设备的移动性能；现有的环形磁体传导制冷结构包括上导冷盘和下导冷盘，多个导冷单元位于所述上、下导冷盘之间排列成环形，这样冷却时间和磁体的动态稳定性会受到影响。

发明内容

本发明提供一种环形高温超导磁体传导制冷装置，通过制冷机进行传导制冷，解决现有环形磁体传导制冷结构存在的导冷效率低、磁体热稳定性差的问题。

本发明所提供的一种环形高温超导磁体传导制冷装置，包括上导冷盘、下导冷盘、导冷棒和N个导冷单元，N≥3，其特征在于：

所述上导冷盘、下导冷盘形状、结构相同，均为具有中心圆孔的圆盘，圆盘的表面具有从中心圆孔辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽，围绕中心圆孔具有沿圆周均匀分布的内连接孔，接近圆盘边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；

所述导冷棒的上下两端分别与所述上导冷盘的中心圆孔、下导冷盘的中心圆孔固接，凸出于上导冷盘的导冷棒上端端部固接有铜块，铜块和上导冷盘、下导冷盘组成超导环形磁体的主要热沉；

所述上导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；所述N个导冷单元分别位于所述上、下导冷盘的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上导冷盘的凹槽和下导冷盘的凹槽之间，N个导冷单元的上端面与所述上导冷盘通过螺钉固定连接，N个导冷单元的下端面与所述下导冷盘通过螺钉固定连接；上、下导冷盘的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有内侧导冷杆和外侧导冷杆，用于所述上、下导冷盘之间导热；内侧导冷杆和导冷棒成为冷量在导冷单元内侧的主要通道，外侧导冷杆成为冷量在导冷单元外侧的主要通道；

所述导冷单元包括内支撑环、外固定板、左导冷板、左盖板、右导冷板和右盖板，所述内支撑环为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼的中心孔内；所述外固定板具有圆形通孔，其内径与所述超导双饼的外径相适应，工作状态下所述超导双饼嵌于所述外固定板的圆形通孔内；所述左导冷板、右导冷板分别贴于所述外固定板左侧面和右侧面，工作状态下所述左盖板和右盖板分别从左侧和右侧与所述外固定板连接，将所述左导冷板、右导冷板固定，并将所述超导双饼轴向固定于所述外固定板的圆形通孔中；外固定板从上下固定住超导双饼，保证超导双饼在通流时不会发生过度的径向形变，同时起到传导冷量的作用，减小超导磁体的温度梯度。

所述的环形高温超导磁体传导制冷装置，其特征在于：

上法兰和下法兰分别通过穿过上导冷盘和下导冷盘的多根金属连接杆与所述上导冷盘的上表面、下导冷盘的下表面连接，上法兰、下法兰和多根金属连接杆形成鼠笼式框架，对所述上导冷盘、下导冷盘加以支撑；

所述上法兰具有中心通孔，所述导冷棒上端凸出于上导冷盘的中心圆孔和上法兰的中心通孔。

所述的环形高温超导磁体传导制冷装置，其特征在于：

所述导冷单元中，所述左导冷板和右导冷板形状结构完全相同，各自均为厚度不大于2mm的矩形铜板，矩形铜板中心开有圆形孔，矩形铜板右侧边具有和超导双饼外轮廓一致的圆弧段，所述圆形孔的左右两侧分别开有与圆形孔同心的左圆弧槽、右圆弧槽，所述左圆弧槽的弧长大于四分之一圆周，所述左圆弧槽和右圆弧槽通过横贯矩形铜板左侧边和圆形孔圆心的横贯槽连通；所述圆形孔的上下两侧分别开有上直线槽和下直线槽，所述上直线槽和下直线槽的长度分别大于10mm；

所述左圆弧槽、右圆弧槽、横贯槽、上直线槽和下直线槽的宽度分别均为为1mm～2mm，起到降涡流作用。

本发明对超导磁体的传导制冷通过以下方式来实现：

本发明在工作状态下，导冷棒上端端部的铜块通过软连接和制冷机冷头相连接。将磁体放置于真空系统中，通过真空系统将容器内的气体抽走以隔绝磁体和外界环境的对流换热，同时通过在磁体的周围布置辐射屏蔽层来削弱外界对于磁体的热辐射，同时通过磁体导冷结构将G—M制冷机的冷量传送到磁体上实现磁体的传导冷却。导冷结构在传导冷却的过程中扮演着传导冷量的作用，在制冷机冷量一定的情况下，磁体的导冷结构直接决定了磁体的冷却速度和磁体温度稳定后的温度梯度。

这样，冷量通过铜块和导冷棒传递到上导冷盘、下导冷盘上，同时两个导冷盘之间也有内侧导冷杆、外侧导冷杆相连，使得整个导冷骨架的温度梯度很小，上导冷盘、下导冷盘和导冷单元紧密接触，将冷量传导至超导双饼的表面，实现超导双饼的制冷。

左导冷板和右导冷板的设计考虑了高温超导磁体在充放电过程中在良导体中产生涡流损耗的问题。通过超导双饼两侧进行传导制冷减小了双饼的温度梯度。外固定板起到超导双饼的支撑作用，也具有一定的导冷功能，可以减小双饼径向的温度梯度；导冷棒不仅使冷量可以很好的传导到下导冷盘，减小整个超导磁体的温度梯度，同时也连同它上方的铜块起到热沉的作用，提高了超导磁体的热稳定性；上法兰和下法兰保证了导冷软连接和导冷盘直接接触的同时，也保证了超导磁体有足够的机械强度。

相对于现有的环形磁体导冷结构，本发明可以在制冷机冷量充足的情况下使超导磁体降至预定的温度，同时提高传导制冷的冷量传导速度、减小超导磁体的温度梯度，保证了超导磁体的稳定运行。

附图说明

图1(a)为超导双饼外形示意图；

图1(b)为超导双饼结构示意图；

图2为本发明第一个实施例的结构示意图；

图3(a)为上导冷盘顶面结构示意图；

图3(b)为上导冷盘底面结构示意图；

图4为导冷单元结构示意图；

图5为左、右导冷板的结构示意图；

图6为本发明第二个实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用于本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明第一个实施例，包括上导冷盘3、下导冷盘5、导冷棒2和12个导冷单元9；

如图3(a)、图3(b)所示，所述上导冷盘3、下导冷盘5形状、结构相同，均为具有中心圆孔的圆盘，圆盘的表面具有从中心圆孔3—1辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽3—2，围绕中心圆孔3—1具有沿圆周均匀分布的内连接孔3—3，接近圆盘边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔3—4；

如图2所示，所述导冷棒2的上下两端分别与所述上导冷盘3的中心圆孔3—1、下导冷盘5的中心圆孔3—1固接，凸出于上导冷盘3的导冷棒2上端端部固接有铜块11，铜块11和上导冷盘3、下导冷盘5组成超导环形磁体的主要热沉；

所述上导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；所述12个导冷单元9分别位于所述上、下导冷盘的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上导冷盘的凹槽和下导冷盘的凹槽之间，12个导冷单元9的上端面与所述上导冷盘3通过螺钉固定连接，12个导冷单元的下端面与所述下导冷盘5通过螺钉固定连接；上、下导冷盘的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有内侧导冷杆6和外侧导冷杆4，用于所述上、下导冷盘之间导热；内侧导冷杆6和导冷棒2成为冷量在导冷单元内侧的主要通道，外侧导冷杆4成为冷量在导冷单元外侧的主要通道；

为了减小接触热阻，保证接触良好，在装配时，上导冷盘的凹槽和下导冷盘的凹槽和导冷单元的接触部分需要用铟片压实。

本实施例中，上导冷盘3、下导冷盘5、导冷棒2、内侧导冷杆6和外侧导冷杆4均采用铜材料制成。

如图4所示，所述导冷单元9包括内支撑环9—1、外固定板9—2、左导冷板9—3、左盖板9—4、右导冷板9—5和右盖板9—6，所述内支撑环9—1为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼1的中心孔内；所述外固定板9—2具有圆形通孔，其内径与所述超导双饼1的外径相适应，工作状态下所述超导双饼1嵌于所述外固定板9—2的圆形通孔内；所述左导冷板9—3、右导冷板9—5分别贴于所述外固定板9—2左侧面和右侧面，工作状态下所述左盖板9—4和右盖板9—6分别从左侧和右侧与所述外固定板9—2连接，将所述左导冷板9—3、右导冷板9—5固定，并将所述超导双饼1轴向固定于所述外固定板9—2的圆形通孔中；外固定板9—2从上下固定住超导双饼，保证超导双饼在通流时不会发生过度的径向形变，同时起到传导冷量的作用，减小超导磁体的温度梯度。

本实施例中，内支撑环9—1、外固定板9—2、左盖板9—4和右盖板9—6均采用不锈钢材料制成。

如图5所示，本实施例中，左导冷板9—3和右导冷板9—5形状结构完全相同，各自均为厚度为1mm的矩形铜板，矩形铜板中心开有圆形孔9A，矩形铜板右侧边具有和超导双饼外轮廓一致的圆弧段9B，所述圆形孔9A的左右两侧分别开有与圆形孔9A同心的左圆弧槽9C、右圆弧槽9D，所述左圆弧槽9C的弧长为三分之一圆周，所述左圆弧槽9C和右圆弧槽9D通过横贯矩形铜板左侧边和圆形孔9A圆心的横贯槽9E连通；所述圆形孔9A的上下两侧分别开有上直线槽9F和下直线槽9G，所述上直线槽9F和下直线槽9G的长度分别为12mm；

所述左圆弧槽9C、右圆弧槽9D、横贯槽9E、上直线槽9F和下直线槽9G的宽度分别均为为1mm，起到降涡流作用。

左导冷板和右导冷板的主要作用是将上导冷盘3、下导冷盘5的冷量沿超导双饼1的外侧传递到磁体的内侧，减小超导双饼径向温度梯度。

如图6所示，本发明第二个实施例，在第一个实施例的基础上，增加了上法兰7和下法兰8；

上法兰7和下法兰8分别通过穿过上导冷盘和下导冷盘的多根金属连接杆10与所述上导冷盘的上表面、下导冷盘的下表面连接，上法兰7、下法兰8和多根金属连接杆10形成鼠笼式框架，对所述上导冷盘3、下导冷盘5加以支撑；

所述上法兰7具有中心通孔，所述导冷棒2上端凸出于上导冷盘3的中心圆孔3—1和上法兰7的中心通孔。

上法兰7、下法兰8和金属连接杆10采用不锈钢制作，其比热容较大，同时导热特性和低温特性均较好。

Claims (3)

1.一种环形高温超导磁体传导制冷装置，包括上导冷盘(3)、下导冷盘(5)、导冷棒(2)和N个导冷单元(9)，N≥3，其特征在于：

所述上导冷盘(3)、下导冷盘(5)形状、结构相同，均为具有中心圆孔的圆盘，圆盘的表面具有从中心圆孔(3—1)辐射、且沿圆盘圆周均匀分布的N道凹槽(3—2)，围绕中心圆孔(3—1)具有沿圆周均匀分布的内连接孔(3—3)，接近圆盘边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔(3—4)；

所述导冷棒(2)的上下两端分别与所述上导冷盘(3)的中心圆孔(3—1)、下导冷盘(5)的中心圆孔(3—1)固接，凸出于上导冷盘(3)的导冷棒(2)上端端部固接有铜块(11)，铜块(11)和上导冷盘(3)、下导冷盘(5)组成超导环形磁体的主要热沉；

所述上导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影分别与所述下导冷盘的凹槽、内连接孔、外连接孔的垂直投影重合；所述N个导冷单元(9)分别位于所述上、下导冷盘的内连接孔和外连接孔之间，并嵌入所述上导冷盘的凹槽和下导冷盘的凹槽之间，N个导冷单元(9)的上端面与所述上导冷盘(3)通过螺钉固定连接，N个导冷单元的下端面与所述下导冷盘(5)通过螺钉固定连接；上、下导冷盘的各内连接孔和各外连接孔内分别穿有内侧导冷杆(6)和外侧导冷杆(4)，用于所述上、下导冷盘之间导热；内侧导冷杆(6)和导冷棒(2)成为冷量在导冷单元内侧的主要通道，外侧导冷杆(4)成为冷量在导冷单元外侧的主要通道；

所述导冷单元(9)包括内支撑环(9—1)、外固定板(9—2)、左导冷板(9—3)、左盖板(9—4)、右导冷板(9—5)和右盖板(9—6)，所述内支撑环(9—1)为圆环形，工作状态下嵌于超导双饼(1)的中心孔内；所述外固定板(9—2)具有圆形通孔，其内径与所述超导双饼(1)的外径相适应，工作状态下所述超导双饼(1)嵌于所述外固定板(9—2)的圆形通孔内；所述左导冷板(9—3)、右导冷板(9—5)分别贴于所述外固定板(9—2)左侧面和右侧面，工作状态下所述左盖板(9—4)和右盖板(9—6)分别从左侧和右侧与所述外固定板(9—2)连接，将所述左导冷板(9—3)、右导冷板(9—5)固定，并将所述超导双饼(1)轴向固定于所述外固定板(9—2)的圆形通孔中；外固定板(9—2)从上下固定住超导双饼，保证超导双饼在通流时不会发生过度的径向形变，同时起到传导冷量的作用，减小超导磁体的温度梯度。

2.如权利要求1所述的环形高温超导磁体传导制冷装置，其特征在于：

上法兰(7)和下法兰(8)分别通过穿过上导冷盘和下导冷盘的多根金属连接杆(10)与所述上导冷盘的上表面、下导冷盘的下表面连接，上法兰(7)、下法兰(8)和多根金属连接杆(10)形成鼠笼式框架，对所述上导冷盘(3)、下导冷盘(5)加以支撑；

所述上法兰(7)具有中心通孔，所述导冷棒(2)上端凸出于上导冷盘(3)的中心圆孔(3—1)和上法兰(7)的中心通孔。

3.如权利要求1或2所述的环形高温超导磁体传导制冷装置，其特征在于：

所述导冷单元(9)中，所述左导冷板(9—3)和右导冷板(9—5)形状结构完全相同，各自均为厚度不大于2mm的矩形铜板，矩形铜板中心开有圆形孔(9A)，矩形铜板右侧边具有和超导双饼外轮廓一致的圆弧段(9B)，所述圆形孔(9A)的左右两侧分别开有与圆形孔(9A)同心的左圆弧槽(9C)、右圆弧槽(9D)，所述左圆弧槽(9C)的弧长大于四分之一圆周，所述左圆弧槽(9C)和右圆弧槽(9D)通过横贯矩形铜板左侧边和圆形孔(9A)圆心的横贯槽(9E)连通；所述圆形孔(9A)的上下两侧分别开有上直线槽(9F)和下直线槽(9G)，所述上直线槽(9F)和下直线槽(9G)的长度分别大于10mm；

所述左圆弧槽(9C)、右圆弧槽(9D)、横贯槽(9E)、上直线槽(9F)和下直线槽(9G)的宽度分别均为为1mm～2mm，起到降涡流作用。

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