CN103985499B - 高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，选取液氮作为冷却介质，利用热虹吸原理，将制冷机安装杜瓦、磁体冷却杜瓦、液氮连通管道、蒸发氮气连通管道组成的一个封闭循环系统的方式来冷却超导磁体。本发明解决了液氮直接浸泡冷却方式中需定期补充液氮，大冷量低温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。冷却介质液氮温度可控，为研究高温超导磁体在特定温度下的性能提供了条件。系统将制冷机和超导磁体分开放置，避免超导磁体的失超对制冷机的损害，安全性得到提高。超导磁体与电流引线组成一个整体，可以直接从磁体冷却杜瓦吊出或吊入，拆装更换方便。

Description

高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统

技术领域

本发明涉及超导应用低温技术领域，具体为高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统。

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。

选用液氮作为冷却介质对高温超导磁体进行冷却，常见的有三种：1）液氮直接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，液氮不断的蒸发消耗，因此需要定期补充液氮，操作程序繁琐。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。液氮温度只能在77K附近，无法满足更低温度下高温超导磁体试验条件。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）过冷液氮强迫对流冷却超导磁体，这种冷却方式冷却效果好，但是系统相对复杂，可靠性差，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液氮泵，这种设备国内产品可靠性差，国外产品价格相对较高。虽然液氮温度可低于77K，但是仍然无法较准确控制液氮温度,从而无法提供在特定温度下研究超导磁体性能的试验条件。3）大冷量低温制冷机传导冷却超导磁体，这种冷却方式一般冷却时间较长，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。

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：

高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，本发明特征在于，包括制冷机安装杜瓦、磁体冷却杜瓦、液氮连通管道、蒸发氮气连通管道、AL600G-M制冷机、1000V，1000A电流引线、高温超导磁体、冷头换热器、集成安装平台、安全组件；其中，AL600G-M制冷机安装在制冷机安装杜瓦的上盖板法兰上，高温超导磁体吊装在磁体冷却杜瓦的上盖板法兰下方，1000V，1000A电流引线安装在磁体冷却杜瓦的上盖板上；制冷机安装杜瓦和磁体冷却杜瓦与集成安装平台通过螺栓连接形成一个整体；制冷机安装杜瓦和磁体冷却杜瓦的液相空间通过可拆卸的承插式液氮流通管道连通，两者的气相空间通过蒸发氮气连通管道连通；

AL600G-M制冷机冷头上安装冷头换热器，冷头换热器上表面与高温超导磁体上表面在同一高度；液氮连通管道的中心线在高温超导磁体上表面下方200mm；液氮液面与冷头换热器上表面在同一高度；安全组件设置在磁体冷却杜瓦的上盖板上。

本发明所述的安全组件包括安全阀、压力表、压力变送器、电磁放气阀、手动放气阀；其中电磁放气阀通过压力变送器设置的压力上下限来控制开启与关闭。

本发明所述的冷头换热器上设置有抱箍型加热器，用以调节制冷机输出冷量，间接控制磁体冷却杜瓦里的液氮温度。

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，本发明选取液氮作为冷却介质利用热虹吸原理采取将制冷机安装杜瓦、磁体冷却杜瓦、液氮连通管道、蒸发氮气连通管道组成的一个封闭系统的方式来冷却超导磁体。超导磁体励磁前，系统本身热负荷将使得液氮蒸发为氮气，这部分氮气最终将被制冷机液化成液氮，即系统中液氮量不会减少。超导磁体励磁时，电流引线发热以及超导磁体交流损耗将使得磁体冷却杜瓦中的液氮蒸发量增大，此部分氮气将通过蒸发氮气管道到达制冷机安装杜瓦，被制冷机液化，制冷机安装杜瓦中的液氮与磁体冷却杜瓦中的液氮对流换热，间接冷却超导磁体。实验过程中，液氮没有损耗，不需要额外补充液氮，免去液氮直接浸泡冷却方式中低温液体输入，解决了大冷量低温制冷机直接冷却方式中超导磁体冷却效果不好的问题，同时可以省去过冷液氮强迫对流冷却方式中昂贵的低温液氮泵，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、电流引线集成在磁体冷却杜瓦的上盖板法兰上，可以整体从磁体冷却杜瓦吊出或吊入，拆装更换超导磁体方便、快捷，解决了大冷量低温制冷机传导冷却超导磁体方式中拆装更换超导磁体程序繁琐的问题；

第三，本发明在AL600G-M制冷机冷头换热器上设置抱箍式加热器，通过调节制冷机输出冷量的方式来控制系统中液氮温度，可实现液氮温度65K-77K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，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；另外，将制冷机和超导磁体分别放置在不同的杜瓦中，超导磁体失超带来的影响不会损害价格昂贵的制冷机。

附图说明

图1为本发明高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统装配图。

具体实施方式

如图1所示，高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，本发明包括制冷机安装杜瓦1、磁体冷却杜瓦2、液氮连通管道3、蒸发氮气连通管道4、AL600G-M制冷机5、1000V,1000A电流引线6、高温超导磁体7、冷头换热器8、集成安装平台9、安全组件10；其中：AL600G-M制冷机5安装在制冷机安装杜瓦1的上盖板法兰上，高温超导磁体7吊装在磁体冷却杜瓦2的上盖板法兰下方，1000V，1000A电流引线6安装在磁体冷却杜瓦2的上盖板上；制冷机安装杜瓦1和磁体冷却杜瓦2与集成安装平台9通过螺栓连接形成一个整体；制冷机安装杜瓦1和磁体冷却杜瓦2的液相空间通过可拆卸的承插式液氮流通管道3连通，两者的气相空间通过蒸发氮气连通管道4连通；AL600G-M制冷机5冷头上安装冷头换热器8，冷头换热器8上表面与高温超导磁体7上表面在同一高度；液氮连通管道3的中心线在高温超导磁体7上表面下方200mm；液氮液面与冷头换热器8上表面在同一高度；安全组件10设置在磁体冷却杜瓦2的上盖板上。

本发明所述的安全组件10包括安全阀、压力表、压力变送器、电磁放气阀、手动放气阀；其中电磁放气阀通过压力变送器设置的压力上下限来控制开启与关闭。

本发明所述的冷头换热器8上设置有抱箍型加热器，用以调节制冷机输出冷量，间接控制磁体冷却杜瓦2里的液氮温度。

本发明制冷机安装杜瓦1和磁体冷却杜瓦2与集成安装平台9通过螺栓连接形成一个整体，这样运输、移动较为方便。

试验时，首先向制冷机安装杜瓦1加注液氮至液氮面与冷头换热器8上表面在同一高度，开启AL600G-M制冷机5，超导磁体励磁前，系统本身热负荷将使得液氮蒸发为氮气，这部分氮气最终将被制冷机液化成液氮，即系统中液氮量不会减少。超导磁体励磁时，电流引线发热以及超导磁体交流损耗将使得磁体冷却杜瓦中的液氮蒸发量增大，此部分氮气将通过蒸发氮气管道到达制冷机安装杜瓦，被制冷机液化，制冷机安装杜瓦中的液氮与磁体冷却杜瓦中的液氮对流换热，间接冷却超导磁体。设置液氮控温温度，当液氮温度低于设置温度时，制冷机冷头换热器8上的加热器将开始加热，当液氮温度高于设置温度时，制冷机冷头换热器8上的加热器将停止加热，因此可以较准确控制液氮温度在预想范围，为超导磁体在特定温度下的性能试验提供了条件。试验过程中，液氮无损耗，无需液氮泵等设备可以实现零蒸发功能，节约运行成本。超导磁体直接浸泡在液氮里，且温度可控，冷却效果好。

在结构上，设备选择上，原理上，本发明的高温超导磁体液氮零蒸发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）选取液氮作为冷却介质；（2）设置杜瓦，承装冷却介质并为超导磁体磁体提供绝热环境；（3）设置制冷机，为系统提供冷量；（4）设置冷头换热器，增大换热面积；（5）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）利用热虹吸原理，将制冷机安装杜瓦、磁体冷却杜瓦、液氮连通管道、蒸发氮气连通管道组成的一个封闭循环系统的方式来冷却超导磁体，实现液氮无损耗，即零蒸发；（2）制冷机和超导磁体分开放置在同的杜瓦里，避免超导磁体失超对制冷机产生损坏；（3）冷却介质液氮的温度能够控制，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，可以从磁体冷却杜瓦吊出或吊入，拆装更换超导磁体方便快捷。

Claims (3)

1.高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，其特征在于，包括制冷机安装杜瓦(1)、磁体冷却杜瓦(2)、液氮连通管道(3)、蒸发氮气连通管道(4)、AL600G-M制冷机(5)、1000V，1000A电流引线(6)、高温超导磁体(7)、冷头换热器(8)、集成安装平台(9)、安全组件(10)；其连接结构为：AL600G-M制冷机(5)安装在制冷机安装杜瓦(1)的上盖板法兰上，高温超导磁体(7)吊装在磁体冷却杜瓦(2)的上盖板法兰下方，1000V，1000A电流引线(6)安装在磁体冷却杜瓦(2)的上盖板上；制冷机安装杜瓦(1)和磁体冷却杜瓦(2)与集成安装平台(9)通过螺栓连接形成一个整体；制冷机安装杜瓦(1)和磁体冷却杜瓦(2)的液相空间通过可拆卸的承插式液氮连通管道(3)连通，两者的气相空间通过蒸发氮气连通管道(4)连通；AL600G-M制冷机(5)冷头上安装冷头换热器(8)，冷头换热器(8)上表面与高温超导磁体(7)上表面在同一高度；液氮连通管道(3)的中心线在高温超导磁体(7)上表面下方200mm；液氮液面与冷头换热器(8)上表面在同一高度；安全组件(10)设置在磁体冷却杜瓦(2)的上盖板上。

2.根据权利要求1所述的高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，其特征在于，安全组件(10)包括安全阀、压力表、压力变送器、电磁放气阀和手动放气阀；其中电磁放气阀通过压力变送器设置的压力上下限来控制开启与关闭。

3.根据权利要求1所述的高温超导磁体液氮零蒸发冷却系统，其特征在于，冷头换热器(8)上设置有抱箍型加热器，用以调节制冷机输出冷量，间接控制磁体冷却杜瓦(2)里的液氮温度。