CN105627610A - 一种基于固氮的高温超导制冷设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固氮的高温超导制冷设备，包括制冷电机和制冷机身，制冷机身包括冷头、抽真空装置和保温装置，制冷电机、抽真空装置和保温装置从上到下依次设置，且抽真空装置与保温装置连接，冷头的第一端与制冷电机相连，冷头的第二端伸入抽真空装置中并连接有一端伸入保温装置内部的导冷线；保温装置内设置有高温超导体，且高温超导体的周围填充有固氮。在抽真空装置和制冷电机的双重作用下可使保温装置内的温度降低，完成制冷。制冷结束后，利用保温装置内部固氮的高热容可大量吸收高温超导体的热量从而降低其温度，确保其正常工作。本发明的制冷和保温效果好，且成本低、操作过程方便、适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及制冷装置的技术领域，具体涉及一种基于固氮的高温超导制冷设备。
背景技术
超导现象是指当温度降低到一定程度，金属的电阻会突然消失变为零的现象，将具有这种临界温度的材料称为高温超导体。高温超导的发现和应用在众多领域中具有非常突出的优点和不可取代的作用。但是由于高温超导的应用需使得高温超导体处于接近绝对零度的环境中才可应用，故其应用会遇到制冷的问题。
传统的高温超导体在使用过程中的制冷技术一般采用两种方式进行制冷。一种方式为直接采用大功率的GM制冷机进行持续制冷以保持高温超导体的工作温度，但在持续制冷的过程中成本较高，不利于广泛使用。另一种方式为通过采用液氮的加注来制冷，但在使用液氮进行制冷的过程中，需对液氮进行周期性加入，使用过程繁琐不便，同样也不利于广泛使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于固氮的高温超导制冷设备，用于解决高温超导体在使用过程中传统的制冷技术成本较高或使用过程繁琐而适用范围受到局限的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于固氮的高温超导制冷设备，所述基于固氮的高温超导制冷设备包括制冷电机和制冷机身，所述制冷电机设置在所述制冷机身的顶部，其中，
所述制冷机身包括冷头、抽真空装置和保温装置，所述抽真空装置设置在所述制冷电机的底部，所述保温装置与所述抽真空装置连接并设置在所述抽真空装置的底部，所述冷头的第一端与所述制冷电机连接，所述冷头的第二端伸入所述抽真空装置中设置，且所述冷头的第二端还连接有导冷线，所述导冷线伸入所述保温装置的内部；
所述保温装置内设置有高温超导体，所述保温装置内的高温超导体周围填充有固氮。
优选地，所述保温装置包括保温瓶以及设置在所述保温瓶内部的一级储热器和二级储热器，所述一级储热器的外壁上覆盖有防辐射屏，所述二级储热器设置在所述一级储热器的正上方，所述一级储热器和所述二级储热器均与所述保温瓶的内壁之间形成空腔，所述空腔与所述抽真空装置的内腔连通，
所述一级储热器内填充有固氮，所述二级储热器内填充有冷凝体，
所述导冷线包括第一导冷线和第二导冷线，所述第一导冷线伸入所述一级储热器中设置，所述第二导冷线伸入所述二级储热器中设置，位于所述冷头和所述一级储热器之间的部分所述第一导冷线包裹有绝热层。
进一步地，所述防辐射屏的表面还覆盖由绝热支撑材料制成的支撑板。
优选地，所述保温瓶为杜瓦瓶，所述二级储热器中的冷凝体为冰。
进一步地，所述基于固氮的高温超导制冷设备还包括保温基座，所述保温基座与所述一级储热器连接且设置在所述一级储热器的正下方，所述保温基座呈梯形，所述保温基座的内腔中填充有蜂窝状绝热材料。
进一步地，所述一级储热器上还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述制冷电机连接。
优选地，所述抽真空装置包括抽真空上部件和抽真空下部件，所述抽真空上部件和所述抽真空下部件通过真空密封件进行连接，以形成抽真空装置封闭的内部腔体，所述抽真空上部件的外壁上设置有与内部腔体连通的抽真空管。
进一步地，所述制冷电机通过支撑件固定在所述抽真空装置的顶端，所述支撑件包括支撑柱和支撑块，所述支撑柱连接所述支撑块和所述抽真空装置，所述制冷电机安装在所述支撑块上，所述支撑块和所述抽真空装置之间还设置有缓冲件。
相对于现有技术，本发明所述的基于固氮的高温超导制冷设备具有以下优势：本发明基于固氮的高温超导制冷设备包括抽真空装置和保温装置，在抽真空装置的作用下可使抽真空装置的内腔及保温装置的内腔均呈真空状态，保温装置中的空气变少，则保温装置内部的温度也随之下降，且由于真空状态会使传热变慢，故减少了外界热量对保温装置内部的影响。随后开启制冷电机，使得G-M制冷机对本发明中的保温装置进行继续降温，降温结束，便能通过固氮的保护来维持保温装置内部高温超导体所需的工作温度，G-M制冷机停止使用，由于G-M制冷机的使用时间较短，故成本得到节省。由于保温装置内部的固氮在低温条件下有很高的热容，利用固氮的高热容可大量吸收高温超导体的热量从而降低高温超导体的温度，且固氮在工业上制备简单，价格便宜，故本发明基于固氮保护的制冷装置不仅制冷和保温效果好，而且操作过程方便快捷，适用性强。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了根据本发明一种优选实施方式的结构示意图。
附图标记：
1-制冷电机，2-制冷机身，
21-冷头，22-抽真空装置，
221-抽真空上部件，222-抽真空下部件，
223-真空密封件，224-抽真空管，
23-保温装置，231-保温瓶，
232-一级储热器，233-二级储热器，
234-空腔，235-防辐射屏，
236-支撑板，237-高温超导体，
24-导冷线，241-第一导冷线，
242-第二导冷线，25-保温基座，
26-温度传感器，3-支撑件，
31-缓冲件。
具体实施方式
本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步的描述。
请参阅图1，本发明的实施例提供一种基于固氮的高温超导制冷设备，该装置包括制冷电机1和制冷机身2，制冷电机1设置在制冷机身2的顶部，其中，制冷机身2包括冷头21、抽真空装置22和保温装置23，抽真空装置22设置在制冷电机1和保温装置23之间，保温装置23与抽真空装置22连接且设置在抽真空装置22的底部，上述冷头21的第一端与制冷电机1连接，冷头21的第二端伸入抽真空装置22中设置，且冷头21的第二端还连接有导冷线24，该导冷线24伸入到保温装置23的内部，保温装置23内设置有高温超导体237，保温装置23内的高温超导体237周围填充有固氮。
首先在抽真空装置22的作用下使抽真空装置22的内腔及保温装置23的内腔中均呈真空状态，且由于制冷机身2内部的空气减少，则制冷机身2内的温度也显著下降，此为第一阶段的制冷过程。然后通过打开制冷电机1，使得与制冷电机1连接的G-M制冷机对本实施例基于固氮的高温超导制冷设备进行降温，在降温过程中，降温操作通过冷头21和导冷线24实现，持续降温直至保温装置23中的液氮凝结为固氮并持续一段时间，当固氮稳定且同时高温超导体237也稳定工作时，关闭制冷电机1，停止降温，此为第二阶段的制冷过程。需要说明的是，上述第一阶段的制冷过程和第二阶段的制冷过程也可同时进行，上述过程对G-M制冷机的使用较少，成本得到了有效的缩减。此后，便能通过固氮来维持保温装置23内部高温超导体237所需的工作温度。由于真空状态的传热较慢，能减少外界热量对保温装置23内部的影响，从而能提高保温装置23的保温性能，保温装置23内部的固氮在低温条件下具有很高的热容，利用固氮的高热容可大量吸收高温超导体237的热量从而降低高温超导体237的温度，且固氮在工业上制备简单，价格便宜，故本实施例不仅能起到较好的制冷效果，保证高温超导体237的工作温度，且本实施例中的制冷方式较传统的制冷方式更节能、成本更低、操作过程更方便，适用范围也更为广泛。当然，当固氮不能维持高温超导体的工作温度时，需启动制冷电机，开始新一轮的制冷过程。
值得一提的是，上述保温装置23包括保温瓶231以及设置在保温瓶231内部的一级储热器232和二级储热器233，一级储热器232的外壁上覆盖有防辐射屏235，二级储热器233设置在一级储热器232的正上方，一级储热器232和二级储热器233均与保温瓶231的内壁之间形成空腔234，该空腔234与抽真空装置22的内部连通。一级储热器232内填充有固氮，二级储热器233内填充有冷凝体，导冷线24包括第一导冷线241和第二导冷线242，第一导冷线241伸入一级储热器232中设置，第二导冷线242伸入二级储热器233中设置，位于冷头21和一级储热器232之间的部分第一导冷线241包裹有绝热层。
在抽真空装置22的作用下，抽真空装置22的内部和保温装置23的空腔234中均呈真空状态，然后，启动制冷电机1，使得第一导冷线241和第二导冷线242分别对一级储热器232和二级储热器233进行降温，直至一级储热器232中的固氮呈凝固状态并持续一段时间稳定后，同时二级储热器233中的冷凝体也呈稳定的凝固状态时，关闭制冷电机1，停止降温操作。此后，高温超导体237便能在固氮的作用下维持其所需的工作温度。此外，由于一级储热器232的外壁上还设置有防辐射屏235，通过二级储热器233中的冷凝体和一级储热器232中的固氮，能持续地保持防辐射屏235的冷却，减少一级储热器232漏热，且防辐射屏235本身也能减慢内部热量扩散到外部区域中的速度，进而增强本实施例中保温装置的保温效能。第一导冷线241的部分包裹有绝热层，确保第一导冷线241与二级储热器233不接触，从而使得一级储热器232不受二级储热器233的影响，其制冷效果更好。
另外，该防辐射屏235的表面还覆盖有由绝热支撑材料制成的支撑板236。
该支撑板236不仅能加强防辐射屏235的硬度，使其不易破损，而且还能进一步增强一级储热器232的保温效能。
需要说明的是，上述保温瓶231为杜瓦瓶，二级储热器233中的冷凝体为冰。杜瓦瓶因为其保温性能显著是低温研究和晶体元件保护的一种较为理想的容器。采用杜瓦瓶作为本实施例中的保温瓶231，保温效果更好。二级储热器233中采用冰作为冷凝体，成本也更低。
进一步，本实施例还包括保温基座25，该保温基座25与一级储热器232连接且设置在一级储热器232的正下方，该保温基座25呈梯形，且在保温基座25的内腔中填充有蜂窝状的绝热材料。
该保温基座25与一级储热器232通过螺栓连接，连接牢固。保温基座25呈梯形设置，使得保温基座25受力均匀，本实施例在放置时更稳定。且保温基座25的内腔中通过填充有蜂窝状绝热材料，从而能减少热传导的接触面积，阻止热量的传递、散失和对流，减少外界对制冷机身2内部封闭区域内的温度和热量的影响，从而保持内部区域温度的稳定。本实施例中的蜂窝状绝热材料优选为玻璃钢。
上述抽真空装置22包括抽真空上部件221和抽真空下部件222，抽真空上部件221和抽真空下部件222通过真空密封件223进行连接，形成抽真空装置22封闭的内部腔体，抽真空上部件221的外壁上设置有与其内部腔体连通的抽真空管224。
在组装时，由于抽真空上部件221和抽真空下部件222可以进行拆卸和组装，故方便对位于抽真空装置22中的冷头21进行安装和维修。上述使用的真空密封件223包括法兰、O型密封圈和真空油脂，通过其相互作用实现压紧密封的效果。真空泵通过与抽真空管224连接，使得抽真空装置22内部呈真空状态或接近真空状态。
值得一提的是，一级储热器232上还设置有温度传感器26，温度传感器26与制冷电机1连接。
在制冷电机1开启时，通过导冷线24对保温装置23实现制冷的过程中，为了保证固氮的稳定，通过温度传感器26对固氮的温度进行探测，需使固氮的温度达到63K或以下，制冷电机1才能关闭，由于温度传感器26与制冷电机1连接，故可在温度传感器26中设定温度值，当温度传感器26检测到固氮的温度达到设定温度值时，使制冷电机1自动关机。另外，还可在温度传感器26中设定第二温度值，在制冷电机1关闭一段时间后，随着固氮温度的上升，当到达第二温度值时，制冷电机1自行开启进行新一轮制冷操作。温度传感器26的设置提高了本实施例的自动化程度，同时能更好地保证高温超导体237所需的工作温度。
另外，本实施例中制冷电机1通过支撑件3固定在抽真空装置22的顶端，支撑件3包括支撑柱和支撑块，支撑柱连接支撑块和抽真空装置22，制冷电机1安装在支撑块上，支撑块和抽真空装置22之间还设置有缓冲件31。本实施例中的缓冲件22为波纹管。
缓冲件31能减轻制冷电机1传导给制冷机身2的机械振动，对制冷机身2具有保护作用，同时又能减少制冷电机1工作状态下的噪音，从而使得本实施例运行安静。
应该注意的是，上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (8)
1.一种基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述基于固氮的高温超导制冷设备包括制冷电机(1)和制冷机身(2)，其中，
所述制冷机身(2)包括冷头(21)、抽真空装置(22)和保温装置(23)，所述抽真空装置(22)设置在所述制冷电机(1)的底部，所述保温装置(23)与所述抽真空装置(22)连接并设置在所述抽真空装置(22)的底部，所述冷头(21)的第一端与所述制冷电机(1)连接，所述冷头(21)的第二端伸入所述抽真空装置(22)中设置，且所述冷头(21)的第二端还连接有导冷线(24)，所述导冷线(24)伸入所述保温装置(23)的内部；
所述保温装置(23)内设置有高温超导体(237)，所述保温装置(23)内的高温超导体(237)周围填充有固氮。
2.根据权利要求1所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述保温装置(23)包括保温瓶(231)以及设置在所述保温瓶(231)内部的一级储热器(232)和二级储热器(233)，所述一级储热器(232)的外壁上覆盖有防辐射屏(235)，所述二级储热器(233)设置在所述一级储热器(232)的正上方，所述一级储热器(232)和所述二级储热器(233)均与所述保温瓶(231)的内壁之间形成空腔(234)，所述空腔(234)与所述抽真空装置(22)的内腔连通，
所述一级储热器(232)内填充有固氮，所述二级储热器(233)内填充有冷凝体，
所述导冷线(24)包括第一导冷线(241)和第二导冷线(242)，所述第一导冷线(241)伸入所述一级储热器(232)中设置，所述第二导冷线(242)伸入所述二级储热器(233)中设置，位于所述冷头(21)和所述一级储热器(232)之间的部分所述第一导冷线(241)包裹有绝热层。
3.根据权利要求2所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述防辐射屏(235)的表面还覆盖有由绝热支撑材料制成的支撑板(236)。
4.根据权利要求2所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述保温瓶(231)为杜瓦瓶，所述二级储热器(233)中的冷凝体为冰。
5.根据权利要求2所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述基于固氮的高温超导制冷设备还包括保温基座(25)，所述保温基座(25)与所述一级储热器(232)连接且设置在所述一级储热器(232)的正下方，所述保温基座(25)呈梯形，所述保温基座(25)的内腔中填充有蜂窝状绝热材料。
6.根据权利要求2所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述一级储热器(232)上还设置有温度传感器(26)，所述温度传感器(26)与所述制冷电机(1)连接。
7.根据权利要求1所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述抽真空装置(22)包括抽真空上部件(221)和抽真空下部件(222)，所述抽真空上部件(221)和所述抽真空下部件(222)通过真空密封件(223)进行连接，以形成抽真空装置(22)封闭的内腔，所述抽真空上部件(221)的外壁上设置有与内部腔体连通的抽真空管(224)。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的基于固氮的高温超导制冷设备，其特征在于，所述制冷电机(1)通过支撑件(3)固定在所述抽真空装置(22)的顶端，所述支撑件(3)包括支撑柱和支撑块，所述支撑柱连接所述支撑块和所述抽真空装置(22)，所述制冷电机(1)安装在所述支撑块上，所述支撑块和所述抽真空装置(22)之间还设置有缓冲件(31)。
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Denomination of invention: High-temperature superconductor refrigerating equipment based on fixed nitrogen Effective date of registration: 20200114 Granted publication date: 20180206 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2020990000059 |
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Date of cancellation: 20211222 Granted publication date: 20180206 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2020990000059 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A High Temperature Superconducting Refrigeration Equipment Based on Nitrogen Fixation Effective date of registration: 20231228 Granted publication date: 20180206 Pledgee: Beijing Yizhuang International Financing Guarantee Co.,Ltd. Pledgor: BEIJING MELST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Registration number: Y2023980075550 |