CN104835612B - 一种超导磁体多分支传导冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导磁体多分支传导冷却结构，包括冷头、磁体骨架，磁体骨架上设有骨架法兰，磁体骨架至少有两个绕线槽，绕线槽中盘绕有磁体线圈、磁体线圈与磁体骨架之间有骨架绝缘层、磁体线圈外层表面束缚设有线圈抱箍，线圈抱箍与磁体线圈之间设有线圈绝缘层，磁体线圈包括超导线圈，超导线圈包括超导线和匝间绝缘；还包括冷屏和与冷屏连接的骨架轴向支撑和骨架径向支撑，骨架轴向支撑和骨架径向支撑连接骨架法兰，骨架轴向支撑、骨架径向支撑、磁体抱箍、骨架法兰均连接有与冷头连接的冷却分支并相互连接，本发明能够可靠、均匀、快速的对超导磁体各部分进行传导冷却。

Description

一种超导磁体多分支传导冷却结构

技术领域

本发明涉及一种冷却结构，尤其涉及一种超导磁体多分支传导冷却结构。

背景技术

处于超导状态的导体称为“超导体”。众所周知，具有应用价值的超导体一般都是一些合金类材料，这些合金材料在极低的温度下才能呈现超导态。然而低温并不太容易获得,需要一定的成本和代价。虽然如Bi2223和REBCO等HTS材料可以在较低成本的液氮温度下获得超导态，但是由于这些材料呈脆性，难以制成具有相当长度的超导线材，而且价格非常昂贵，限制了其推广应用。当前，能够满足大规模商业应用的超导线材仍然是一些LTS材料如NdTi、Sn3Nd等，这些材料一般需要液氦作为冷却剂以维持其超导态。可是氦气作为一种分离自石油气中的稀有气体，其资源量十分有限，而且价格也十分昂贵。另外近年来一些用于小型超导磁体的HTS带材也越来越获得人们的重视。使用这些材料的线材制造的超导磁体，越来越倾向于减少冷却剂的使用。G-M制冷机的广泛应用为这一需求提供了机会，它通过压缩空气致冷将冷量不断输入磁体内部给低温保持器内部降温，从而减少甚至取消了对冷却剂(液氦、液氮)的需求。一些中小型超导磁体已经使用G-M致冷机与冷却剂结合的致冷方式，或者只使用G-M致冷机传导致冷的无冷却剂冷却方式。这种方式无需频繁的灌注、抽取冷却剂，操作简便，而且可以反复使用不受液氦限制，更重要的是，它只消耗一些电能，相比之下，成本大大降低。但是由于G-M致冷机的制冷效率较低，一般只在千分之几，无冷却剂致冷的话通常需要较长的时间，尤其是如果内部布局不合理、热接触不稳定、热阻滞较大，会导致冷量分布不均衡,结果可能无法冷却到预定的温度，或者使磁体的某些部位无法在预期的、合理的时间内达到超导态。而对于超导线圈来说，任何一点如果没有达到超导态，整个线圈都无法通过较高的电流，不能称为超导线圈，冷却过程也就失败了。因此如何高效利用致冷机宝贵的冷量，使磁体可靠、均匀、快速的达到低温超导状态便成为人们关注的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种超导磁体多分支传导冷却结构，能够可靠、均匀、快速的对超导磁体各部分进行传导冷却。

为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：

本发明公开的超导磁体多分支传导冷却结构，包括冷头、磁体骨架，所述磁体骨架上设有骨架法兰，磁体骨架至少有两个绕线槽，所述绕线槽中盘绕有磁体线圈、所述磁体线圈与磁体骨架之间有骨架绝缘层、磁体线圈外层表面束缚设有线圈抱箍，所述线圈抱箍与磁体线圈之间设有线圈绝缘层，所述磁体线圈包括超导线圈，所述超导线圈包括超导线和匝间绝缘；还包括冷屏和与冷屏连接的骨架轴向支撑和骨架径向支撑，所述骨架轴向支撑和骨架径向支撑连接骨架法兰，还包括分别与骨架轴向支撑、骨架径向支撑、磁体抱箍、骨架法兰连接的轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支通过互联冷却分支相互连通并均连接冷头，所述冷屏包围磁体骨架、轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支、互联冷却分支。通过与骨架法兰连接的轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、骨架法兰冷却分支，及束缚超导线圈的线圈抱箍冷却分支，将冷头产生的冷量通过多个路径不断地送至骨架轴向支撑、骨架径向支撑、磁体骨架、线圈抱箍乃至磁体线圈。

进一步的，所述冷头有至少两个，并排布置，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支均至少有两个，对称布置。

优选的，构成所述骨架绝缘层的为高导热率、高绝缘性能、低摩擦性的复合材料薄膜；线圈绝缘层由纤维布混合导热性树脂在磁体线圈上缠绕后固化形成。

优选的，所述磁体线圈为超导线圈，所述匝间绝缘为包含金属填料的树脂固化物。

优选的，所述线圈抱箍的材料为高导热率金属或合金。

优选的，所述线圈抱箍的材料为高纯铜材或铜基合金。

优选的，所述磁体骨架的材料为无磁性金属或合金。

优选的，所述磁体骨架的材料为高纯铜或铜合金。

优选的，所述磁体骨架的材料为不锈钢或铝合金。

优选的，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支、互联冷却分支均为铜或铜基合金材质的板材，线缆或柔性带。

本发明的有益效果是：整个结构通过多分支传导冷却，形成冷头与骨架、线圈的多点、多面可靠接触，及对称、互联相通，多路径高效利用冷头的冷量，并通过轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支阻断冷屏向骨架的热量传导，使整个结构在任何工况下都更加可靠、更加均匀的冷却，从而在更短的时间内使线圈各个位置达到均衡的超导状态。除此之外，线圈和其他部件之间、线圈内部超导线之间也具有较好的绝缘性、稳定性和整体性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为超导线圈的横截面示意图；

图中：1-冷头、2-磁体骨架、3-磁体线圈、4-骨架绝缘层、5-线圈绝缘层、6-线圈抱箍、7-骨架轴向支撑、8-骨架径向支撑、9-轴向支撑冷却分支、10-径向支撑冷却分支、11-线圈抱箍冷却分支、12-骨架法兰冷却分支、13-互联分支、14-超导线、15-导线匝间绝缘、16-冷屏。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如图1、图2所示，本发明公开的超导磁体多分支传导冷却结构，包括一个或数个冷头1，冷头1可选用4K冷头，具有不少于2个绕线槽的磁体骨架2，盘绕于骨架绕线槽的磁体线圈3，磁体骨架2与磁体线圈3之间的骨架绝缘层4，束缚于线圈外表面的线圈抱箍6，和磁体线圈3与线圈抱箍6之间的线圈绝缘层5，其中的超导线圈3由超导线14和匝间绝缘15组成；其次包括冷屏16和与冷屏16、磁体骨架2连接的骨架轴向支撑7和骨架径向支撑8，另外还包括与骨架轴向支撑7、骨架径向支撑8、磁体抱箍6、骨架2法兰连接的轴向支撑冷却分支9、径向支撑冷却分支10、线圈抱箍冷却分支11、骨架法兰冷却分支12，这些分支之间又通过互联分支13相互连通。

该超导磁体的传导冷却结构，通过骨架轴向支撑7和骨架径向支撑8与冷屏16及其他部件连接和固定，两个方向的支撑可以根据需要位于磁体骨架2端法兰的任意位置。这一结构将被封闭在一个真空环境中，由所述的冷头1通过各个冷却分支进行传导冷却。同时，由冷屏16之外通过骨架轴向支撑7和骨架径向支撑8传递而来的热量，被由通过轴向支撑冷却分支9和径向支撑冷却分支10传来的冷量抵消。

由骨架法兰冷却分支12传来的冷量进入磁体骨架后，通过与骨架绝缘层4接触的表面传入磁体线圈3；由线圈抱箍冷却分支11传来的冷量分散在线圈抱箍6上，并通过线圈绝缘层5传入磁体线圈3。显然在这种情况下，磁体线圈3在各个方向、各个面都被均匀冷却，即便有个别部位有热接触不良或热阻较大的情况，也不影响整个结构的冷却可靠性、均匀性和冷却速度。不但如此，互联冷却分支13的存在还可以起到均衡各个分支的作用，如果某个分支的冷量多余而其他分支的冷量不足，则可以通过互联冷却分支13相互沟通冷量。

磁体线圈3无法与冷头1直接连接，但由于匝数多，质量大，材料构成复杂，需要最多的冷量来使之冷却，是传导冷却能否冷却成功的关键。实际绕线时超导线之间不可避免的会存在间隙，在真空环境下进行传导冷却时，这些间隙会影响超导线之间的冷量传导。该结构中采用一种特殊的树脂来填充超导线的匝间空隙，形成导线间绝缘15，并将整个线圈粘接为一体，有利于提高线圈的机械和物理性能。这种树脂是一种包含金属添加物的树脂，而实现这种填充的方法可以是真空压力浸渍或绕线时涂刷树脂。

位于磁体线圈3和线圈抱箍6之间的线圈绝缘层5，由纤维布混合所述树脂缠绕在磁体线圈3上，在树脂固化之前安装线圈抱箍6并紧固，使磁体线圈3、线圈绝缘层5、线圈抱箍6三者紧密接触，线圈绝缘层5既起到绝缘、冷量传导作用，又由于在未固化之前自身的弹性和韧性，而在与线圈抱箍6装配时对磁体线圈3起到保护作用。

所述线圈绝缘层5在固化之后，与线圈抱箍6一起，紧紧箍住磁体线圈3，起到束缚线圈的作用，防止磁体线圈3在通电后巨大的电磁力下发生移动，乃至匝间绝缘15的破裂，有利于磁体线圈3的稳定运行。同时这样的紧密接触使得线圈抱箍冷却分支11上传来的冷量均匀、快速的传递到磁体线圈3中。

本发明采用了特殊的磁体线圈内外绝缘、环形线圈抱箍、多分支传导冷却，使得整个结构形成了多点多面、对称、互联的多路径冷却结构，实现了可靠、均匀、快速的冷却；由于避免了因个别部位因冷却路径过长或冷接触太差而降温缓慢的现象，及冷屏热输入过大的现象，如果合理的选择4k冷头的数量和功率，可以明显提高传导冷却的效率。显而易见，如果在这一系统的适当位置加入实时温度测量装置，就可以直观地检验及查询该系统的传导冷却效果。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：首先包括冷头、磁体骨架，所述磁体骨架上设有骨架法兰，磁体骨架至少有两个绕线槽，所述绕线槽中盘绕有磁体线圈、所述磁体线圈与磁体骨架之间有骨架绝缘层、磁体线圈外层表面束缚设有线圈抱箍，所述线圈抱箍与磁体线圈之间设有线圈绝缘层，所述磁体线圈包括超导线圈，所述超导线圈包括超导线和匝间绝缘；其次还包括冷屏和与冷屏连接的骨架轴向支撑和骨架径向支撑，所述骨架轴向支撑和骨架径向支撑连接骨架法兰，另外还包括分别与骨架轴向支撑、骨架径向支撑、磁体抱箍、骨架法兰连接的轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支通过互联冷却分支相互连通并均连接冷头，所述冷屏包围磁体骨架、轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支、互联冷却分支。

2.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述冷头有至少两个，并排布置，所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支均至少有两个，对称布置。

3.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：构成所述骨架绝缘层的为高导热率、高绝缘性能、低摩擦性的复合材料薄膜；线圈绝缘层由纤维布混合导热性树脂在磁体线圈上缠绕后固化形成。

4.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述磁体线圈为超导线圈，所述匝间绝缘为包含金属填料的树脂固化物。

5.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述线圈抱箍的材料为高导热率金属或合金。

6.根据权利要求5所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述线圈抱箍的材料为高纯铜材或铜基合金。

7.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述磁体骨架的材料为无磁性金属或合金。

8.根据权利要求7所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述磁体骨架的材料为高纯铜或铜合金。

9.根据权利要求7所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述磁体骨架的材料为不锈钢或铝合金。

10.根据权利要求1所述的超导磁体多分支传导冷却结构，其特征在于：所述轴向支撑冷却分支、径向支撑冷却分支、线圈抱箍冷却分支、骨架法兰冷却分支、互联冷却分支均为铜或铜基合金材质的板材、线缆或柔性带。