CN103903830A - 超导磁体馈线系统中的冷支撑结构 - Google Patents

超导磁体馈线系统中的冷支撑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，包括有最外层真空管，最外层真空管管内底部安装有导轨，导轨上滑动安装有滑座，滑座上依次设置有多层热辐射挡板、下法兰，下法兰与最上层热辐射挡板两侧之间分别设置有铜导热板，铜导热板顶部分别连接有多个热截止连接带，还包括有设置在最外层真空管内的筒状冷屏，冷屏的筒外壁上固定有多个冷屏冷却管，冷屏中设置有内部部件保护套管，内部部件保护套管中固定有超导母线、磁体冷却管路，内部部件保护套管底部连接有颈管，颈管底端上法兰通过螺栓固定在下法兰上。本发明可实现超低温区部件到室温界面的过渡，能承受部件的高机械载荷，满足部件之间的绝缘绝热要求。

Description

超导磁体馈线系统中的冷支撑结构
技术领域
本发明涉及超导系统领域，具体为一种超导磁体馈线系统中的冷支撑结构。
背景技术
大型超导磁体在可控磁约束热核聚变、粒子加速器、强磁场等科学研究中有着重要的应用，是控制离子运行的关键部件，也是此类装置必备的基础部件，超导磁体的馈线系统为其输入电流和低温冷却液，确保超导磁体正常工作。通常，大型超导磁体的馈线系统需要穿过各种抗辐射屏蔽层的界面，所以相应的传输路径很长，但由热负荷的要求，支撑的数量收到限制，支撑间距很大，单个支撑所受机械载荷很大；同时馈线系统的截面被限制在一定区域内。超导磁体的传输线，低温传输管路，测控线路等需要同时穿过同一个狭窄的低温，高真空通道；传输线的冷支撑是系统热负载的主要输入路径之一。馈线中的超导母线除了自身的重量外，由于在传输大电流时处在超导磁体产生的强磁场区域，进而超导母线产生强大的电磁力矩，很容易对支撑产生破坏作用；由于截面积和冷源功率的限制，4K温区的部件至常温区的界面距离很短，放置支撑的空间有限；馈线系统的截面内包括了超导母线，冷却管路，测控电缆，保护管路，冷屏和内部支撑等，在长距离的馈线中少数几个支撑承受所有部件在磁场环境下产生的载荷，并且部件之间有严格的绝缘绝热要求；常规的绝缘材料不能作为主要支撑体，无法满足该支撑高机械性能的要求。综合上述各种因素，使得该类机构的设计困难较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，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：
超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：包括有中心轴平放的最外层真空管，最外层真空管管内底部安装有导轨，所述导轨沿最外层真空管轴向走向，导轨上滑动安装有滑座，滑座上依次设置有多层热辐射挡板，最上层热辐射挡板上设置有下法兰，下法兰与最上层热辐射挡板两侧之间分别设置有铜导热板，两侧铜导热板分别向下法兰对应侧外延伸后再依次向上竖直延伸、向下法兰对应侧外延伸，每侧铜导热板顶部分别向下垂直连接有多个热截止连接带，同侧的多个热截止连接带底部穿过并安装有同一个冷屏取热管，还包括有设置在最外层真空管内且中心轴与最外层真空管中心轴平行的筒状冷屏，冷屏底部安装在下法兰顶部，冷屏的筒外壁上固定有多个与冷屏中心轴平行的冷屏冷却管，冷屏中设置有内部部件保护套管，且内部部件保护套管中心轴与冷屏、最外层真空管中心轴平行，所述内部部件保护套管底部连接有中心轴竖向的颈管，颈管底端外沿设置有上法兰，颈管底端上法兰通过螺栓固定在下法兰上，且上法兰与下法兰之间设置有环氧树脂垫片，所述内部部件保护套管内中间滑动安装有竖向的隔板，且隔板沿内部部件保护套管中心轴方向滑动，隔板两侧分别通过超导母线支撑固定有超导母线，内部部件保护套管内隔板两侧还分别安装有花瓣支撑，花瓣支撑上分别安装有多个磁体冷却管路，多个磁体冷却管路中心轴与内部部件保护套管中心轴平行。
所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述环氧树脂垫片边沿设置为花边形。
所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述上、下法兰与螺栓之间分别设置有绝缘套筒。
所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述滑座与导轨之间接触面电镀有硫化钼镀层。
所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述颈管的管壁上设置有多个小孔。
本发明可实现超低温区部件到室温界面的过渡，能承受部件的高机械载荷，满足部件之间的绝缘绝热要求，同时部件之间可以根据使用条件相互滑动，吸收部件自身的热应变。本发明通过了详细的设计和分析，已经被试制，机械、绝缘和绝热性能良好，满足预期的设计要求。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明的横向轴心剖面示意图。
图3为本发明上下法兰之间细节图。
具体实施方式
如图1-图3所示。超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，包括有中心轴平放的最外层真空管1，最外层真空管1管内底部安装有燕尾槽导轨9，导轨9沿最外层真空管1轴向走向，导轨9上滑动安装有滑座，滑座上依次设置有多层热辐射挡板16，最上层热辐射挡板上设置有下法兰8，下法兰8与最上层热辐射挡板两侧之间分别设置有铜导热板4，两侧铜导热板分别向下法兰8对应侧外延伸后再依次向上竖直延伸、向下法兰对应侧外延伸，每侧铜导热板顶部分别向下垂直连接有多个热截止连接带5，同侧的多个热截止连接带底部穿过并安装有同一个冷屏取热管10，还包括有设置在最外层真空管1内且中心轴与最外层真空管1中心轴平行的筒状冷屏3，冷屏3底部安装在下法兰8顶部，冷屏3的筒外壁上固定有多个与冷屏3中心轴平行的冷屏冷却管13，冷屏3中设置有内部部件保护套管2，且内部部件保护套管2中心轴与冷屏3、最外层真空管1中心轴平行，内部部件保护套管2底部连接有中心轴竖向的颈管，颈管底端外沿设置有上法兰6，颈管底端上法兰6通过螺栓7固定在下法兰8上，且上法兰6与下法兰8之间设置有环氧树脂垫片17，内部部件保护套管2内中间滑动安装有竖向的隔板，且隔板沿内部部件保护套管1中心轴方向滑动，隔板两侧分别通过超导母线支撑14固定有超导母线11，内部部件保护套管1内隔板两侧还分别安装有花瓣支撑15，花瓣支撑15上分别安装有多个磁体冷却管路12，多个磁体冷却管路12中心轴与内部部件保护套管1中心轴平行。
环氧树脂垫片17边沿设置为花边形。
上、下法兰6、8与螺栓之间分别设置有绝缘套筒19。
滑座与导轨9之间接触面电镀有硫化钼镀层18。 
颈管的管壁上设置有多个小孔。
本发明上下法兰之间设置薄层的环氧树脂垫片，通过绝缘后的螺栓连接，以满足支撑高强度和绝缘要求，同时环氧树脂垫片被剪成花边形状以减少热接触面积；在颈管的管壁上设计多个小孔以减少热传导的截面。本发明通过铜编织带构成的热截止带和铜导热板作为重要的隔热结构部件之一，热截止带的柔性可满足相邻部件产生相对运动的要求。本发明相对运动产生摩擦的部件表面被硫化钼镀层覆盖，可以实现彼此独立轴向运动；超导母线，冷屏冷却管通过花瓣形支撑固定在套管的中间，实现支撑功能的同时减少支撑体的热传导系统。
本发明中，所有的部件被放置在以外真空管1为边界的高真空，高磁场环境中。上法兰6设计为一个变截面的不锈钢支撑筒体通过焊接方式联接到内部管路部件的内部部件保护套筒2的底部。根据分析计算，在颈管和内部部件保护套管的焊接处需要增加加强筋来减少联接处的应力集中和保护焊点，如图1所示；为了减少热传导，增加热阻，把颈管的非关键应力处的材料去除，形成了如图1所示的带有小孔和变截面的结构。由于要承受较大横向力矩，下法兰8的设计同样采用不锈钢材料的变截面的结构，以配合与上法兰的连接和燕尾槽导轨的导向界面，此部件在某些地方需要采用电子束焊接以满足强度和小变形的要求；上法兰6和下法兰8采用高强度螺栓进行机械连接，为了避免在高磁场下形成局部电回路，要求上下法兰隔热的同时要考虑绝缘设计，绝缘套筒19割断了所有的上下法兰部件的导电通道，如图3所示。上下法兰中间的夹层有一层0.5mm厚的环氧树脂垫片,起到了重要的隔热作用。图1中冷屏3的的冷屏取热管10，通过两组热截止带5和铜导热板4连接在下法兰8的下表面，形成一个关键的热截止结构。在图2中，在上下法兰筒体的中心，有两层热辐射挡板16代替此处冷屏的功能；滑座与导轨构成燕尾槽形式的滑动联接副满足相对轴向移动和抗震的要求，同时参与滑动的表面（如零件18，20）附有硫化钼镀层避免了由于长时间滑动停滞产生的粘滞。在内部部件保护套管2的内部，所有的内部超导母线11，磁体冷却管路12，由花瓣支撑15在断面方向上固定在一个中间隔板（位于图1的两根超导母线11中间）上。超导母线由专门设计的高强度不锈钢的超导母线支撑14固定在中间隔板上，根据设计要求，所有内部组件包括中间隔板可以轴向自由滑动，滑动副都是由环氧套筒和不锈钢表面组成；以上描述的实施方式，主要是在有限的空间内，以不锈钢材料为主，采用尽可能的减少不锈钢结构部件的截面，优化联接方式和传热路径等，满足冷支撑的高强度低热负载的要求。其余的机构信息是为了满足总集成装配顺序而设计的，详见附图1, 2, 3。

Claims (5)

1.超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：包括有中心轴平放的最外层真空管，最外层真空管管内底部安装有导轨，所述导轨沿最外层真空管轴向走向，导轨上滑动安装有滑座，滑座上依次设置有多层热辐射挡板，最上层热辐射挡板上设置有下法兰，下法兰与最上层热辐射挡板两侧之间分别设置有铜导热板，两侧铜导热板分别向下法兰对应侧外延伸后再依次向上竖直延伸、向下法兰对应侧外延伸，每侧铜导热板顶部分别向下垂直连接有多个热截止连接带，同侧的多个热截止连接带底部穿过并安装有同一个冷屏取热管，还包括有设置在最外层真空管内且中心轴与最外层真空管中心轴平行的筒状冷屏，冷屏底部安装在下法兰顶部，冷屏的筒外壁上固定有多个与冷屏中心轴平行的冷屏冷却管，冷屏中设置有内部部件保护套管，且内部部件保护套管中心轴与冷屏、最外层真空管中心轴平行，所述内部部件保护套管底部连接有中心轴竖向的颈管，颈管底端外沿设置有上法兰，颈管底端上法兰通过螺栓固定在下法兰上，且上法兰与下法兰之间设置有环氧树脂垫片，所述内部部件保护套管内中间滑动安装有竖向的隔板，且隔板沿内部部件保护套管中心轴方向滑动，隔板两侧分别通过超导母线支撑固定有超导母线，内部部件保护套管内隔板两侧还分别安装有花瓣支撑，花瓣支撑上分别安装有多个磁体冷却管路，多个磁体冷却管路中心轴与内部部件保护套管中心轴平行。
2.根据权利要求1所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述环氧树脂垫片边沿设置为花边形。
3.根据权利要求1所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述上、下法兰与螺栓之间分别设置有绝缘套筒。
4.根据权利要求1所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述滑座与导轨之间接触面电镀有硫化钼镀层。
5.根据权利要求1所述的超导磁体馈线系统中的冷支撑结构，其特征在于：所述颈管的管壁上设置有多个小孔。
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