CN106601422B - 一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统，所述的温度控制系统包括制冷机、杜瓦、温度传感器、控制器和高温超导磁体，所述的制冷机包括一冷头，所述冷头设置在杜瓦上并通过一管道与所述的制冷机连接，所述高温超导磁体设置在所述杜瓦内，所述高温超导磁体与所述冷头连接，所述温度传感器设置于高温超导磁体的关键节点位置并将温度数据传送给控制器，由于控制器根据预设温度控制制冷机工作。本发明通过在高温超导磁体的关键热源节点设置温度传感器监控其温度，进而依据磁体的温度状态控制制冷机的启停，在保证高温超导磁体系统稳定运行的前提下减少制冷机的工作时间，从而节约能源。

Description

一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制系统，特别是涉及用于传导冷却高温超导磁体的温度控制系统及其控制方法。

背景技术

与常规液氦浸泡式超导磁体相比，传导冷却超导磁体采用制冷机直接冷却，不需要使用液氦，能够有效简化低温系统的结构，节约稀缺的氦气资源。传导冷却高温超导磁体一般均采用高热容和高热导率的铜等金属材料作为骨架，采用软铜带连接制冷机冷头与超导磁体骨架。高温超导磁体的运行温度区间远大于低温超导磁体，如某高温超导磁体的额定运行温度为25K，但实际运行时由于制冷机均为满功率输出，磁体温度约为16K。较低的运行温度可以提高系统的稳定性，但是同样会增加系统能耗。

中国发明专利CN102262952A公布了一种传导冷却超导磁体装置，其采用制冷机传导冷却超导线圈和辐射屏蔽体，通过将配设构件的热排放到流入冷却配管的冷却材料中，能使传导至辐射屏蔽体的热减少，从而缩短初期冷却时间。该发明专利主要考虑超导磁体的冷却过程，并未考虑系统运行的节能。

中国发明专利CN101615469A公布了一种高热容材料保护的高温超导磁体系统，其采用高热容的固氖或固氮保护技术，通过低温容器内的高热容蓄冷材料维持传导冷却磁体温度以延长磁体的脱机运行时间。该发明专利主要考虑系统的热稳定性，并未讨论如何通过主动控制来降低系统运行能耗。

中国发明专利CN 103245434A公布了一种温度计分度装置，其采用制冷机为控温铜块与比对铜块提供冷量，与此同时通过控制位于控温铜块的加热丝或加热膜来实现系统温度控制，系统运行时制冷机均处于额定输出。该发明专利中，加热丝或加热膜产生的热量消耗掉部分制冷机产生的冷量，降低了系统的能源使用效率。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：

一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统，所述的温度控制系统包括制冷机、杜瓦、温度传感器、控制器和高温超导磁体，所述的制冷机包括一冷头，所述冷头设置在杜瓦上并通过一管道与所述的制冷机连接，所述高温超导磁体设置在所述杜瓦内，所述高温超导磁体与所述冷头连接，所述温度传感器设置于高温超导磁体的关键节点位置并将温度数据传送给控制器，由控制器根据预设温度控制制冷机工作。

优选地，所述制冷机包括一压缩机，所述冷头一端设置在杜瓦内并通过一软铜带与高温超导磁体连接，另一端设置在杜瓦外部并通过一氦气管道与制冷机的压缩机连接，所述制冷机设置控制开关，所述控制开关电气连接到所述控制器。

优选地，所述杜瓦位单层不锈钢制作，所述高温超导磁体为钇钡铜氧高温超导带材制备。

优选地，所述高温超导磁体设有骨架、内部超导带材和电流引线，所述电流引线通过螺母固定在所述骨架上，所述内部超导带材螺旋绕制在所述骨架外侧，所述高温超导磁体的关键节点位置为设置在高温超导磁体的骨架位置以及电流引线位置。

优选地，所述骨架环形结构，所述内部超导带材中间设有若干个内部超导带材焊接接头，所述高温超导磁体的关键节点位置还包括所述内部超导带材焊接接头。

优选地，所述电流引线采用紫铜制作且包覆绝缘。

优选地，所述的温度控制系统还包括一温度测量仪表，所述温度传感器将温度数据通过温度测量仪表传送给所述控制器，所述温度测量仪表具有温度测量仪表输入端口并连接至温度传感器，所述温度测量仪表具有温度测量仪表输出端口并连接至控制器。

优选地，所述的控制器包含控制器输入端口、控制器参数设定端口、控制器控制量输出端口、控制器处理器，所述控制器输入端口与所述温度测量仪表输出端口连接，所述控制器控制量输出端口与所述控制开关连接，控制器参数设定端口通过输入按钮设定控制器的运行参数，并将设定的参数传送至控制器处理器，控制器处理器根据采集的温度传感器数值与设定的运行参数，计算得到控制量，并通过控制器控制量输出端口发送至制冷机的控制开关。

本发明还提供一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其方法如下：

(1)以Tt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器对应的t时刻温度值，以ΔTt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器对应的当前时刻温度值变化速率，则有ΔTt,n＝Tt,n‐Tt‐1,n；其中t表示当前时刻，t‐1表示上一测量时刻，N为实际安装的温度传感器数量；

(2)以STn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器设定的各温度传感器的温度上限，ΔSTn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器设定的各温度传感器的温度变化率上限；

(3)以Pt,n表示各温度传感器的状态，当且仅当Tt,n<STn与ΔTt,n<ΔSTn同时成立时Pt,n＝1，否则Pt,n＝0；

(4)通过计算控制量Qt，其中符号表示多个变量的“乘”运算，其中下标“n＝1”表示变量的起始编号，上标“N”表示变量的终止编号；

(5)计算得到的控制量Qt可能为“0”或者“1”，其中“Qt＝0”表示停止，“Qt＝1”表示启动；控制器将其转化为相应的停止或启动信号，并发送至制冷机的控制开关，由此实现制冷机的启停控制。

本发明的技术效果是，本发明通过在高温超导磁体的关键热源节点增加温度计，进而依据磁体的温度状态控制制冷机的启停，在保证高温超导磁体系统稳定运行的前提下减少制冷机的工作时间，从而节约能源。

下面结合附图对该发明进行具体叙述。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明较佳实施例的高温超导磁体各关键位置的温度曲线。

其中对应关系是，1制冷机、11压缩机、12冷头、13氦气管道、14控制开关、15软铜带、2杜瓦、3温度传感器、4温度测量仪表、41温度测量仪表输入端口、42温度测量仪表输出端口、5控制器、51控制器处理器、52控制器输入端口、53控制器参数设定端口、54控制器控制量输出端口、6高温超导磁体、61电流引线、62骨架、63内部超导带材焊接头。

具体实施方式

参看附图1，提供一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统，，本发明所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统包含制冷机1、杜瓦2、温度传感器3、温度测量仪表4、控制器5和高温超导磁体6。

所述的制冷机1是能够提供冷量的一种设备，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。制冷机1通常包含压缩机11、冷头12、氦气管道13、控制开关14、软铜带15，其中冷头12安装在杜瓦2上，冷头12的冷端通过软铜带15连接至待使用的高温超导磁体6上，并将冷量传导至高温超导磁体6；冷头12的室温端通过氦气管道13连接至压缩机11，压缩机11通过氦气管道13内的氦气使冷头12提供冷量。压缩机11通常采用外循环水冷却，需要消耗大量的能源；此外，冷头12的使用寿命有限，到达额定运行时间后必须维护。制冷机1的控制开关14连接至控制器控制量输出端口54。

所述的杜瓦2是能够提供低温保温环境的一种容器，为本领域的基本专业术语，是本领域专业技术人员的公知常识。本发明装置中，杜瓦2用于盛放高温超导磁体6，并为待使用的高温超导磁体6提供低温冷却环境。由于传导冷却高温超导磁体6需要真空绝热空间，因此杜瓦2一般均采用单层不锈钢制作。本实施例中的高温超导磁体6采用钇钡铜氧高温超导带材制备，其电流引线61采用紫铜制作，包覆绝缘后通过螺母固定在骨架62上；骨架62采用紫铜制作，为环形结构，高温超导带材螺旋绕制在骨架62的外侧；该高温超导磁体6共包含3根高温超导带材，因此内部超导带材焊接头63数量为2个。

所述的温度传感器3为温度测量元件，在本发明中要求使用的温度传感器3可靠温度测量范围必须覆盖高温超导磁体6的运行温度区间。本发明中，温度传感器3放置于高温超导磁体6的关键节点位置，关键节点位置包含高温超导磁体6的骨架62、内部超导带材焊接头63以及电流引线61。根据高温超导磁体6的结构复杂程度，温度传感器3至少包含N个：其中骨架62上2个，分别安装在高温超导磁体6离制冷机1的冷头12最近和最远的位置；内部超导带材焊接头63处M‐1个，其中M为制造高温超导磁体6使用的超导带材数量；电流引线61处2个，分别位于高温超导磁体6的一对电流引线61上。实际使用时，可以根据具体情况适当减少温度传感器3的使用数量，但应确保准确获得高温超导磁体6的温度分布状况。温度传感器3的输出连接至温度测量仪表输入端口41。本实施例中，温度传感器3均使用铑铁电阻，其标定温度范围为4.2K‐325K，数量N为6个，分别为骨架62上2个，内部超导带材焊接头63处2个，电流引线61处2个。

所述的温度测量仪表4为用来测量温度的专用测量仪器。温度测量仪表4一般均具有多个温度测量仪表输入端口41，各温度测量仪表输入端口41分别连接至待测温度传感器3的输出；温度测量仪表输出端口42连接至控制器输入端口52，将各温度传感器3测得的温度值传送至控制器5。本实施例中，温度测量仪表4为Lakeshore公司生产的Model 218型温度监视器，该仪表能够同时测量8路温度，并且可通过数字接口输出。

所述的控制器5包含控制器输入端口52、控制器参数设定端口53、控制器控制量输出端口54、控制器处理器51。其中控制器输入端口52与温度测量仪表输出端口42连接，能够实时采集各温度传感器3测得的温度值，并将数据传递至控制器处理器51；控制器参数设定端口53通过输入按钮设定控制器5的运行参数，并将设定的参数传送至控制器处理器51；控制器控制量输出端口54通过通信电缆与制冷机1的控制开关14连接，将控制器处理器51的输出转换为对制冷机1的启停操作；控制器处理器51根据采集的温度传感器3数值与设定的运行参数，计算得到控制量，并通过控制器控制量输出端口54发送至制冷机1的控制开关14。本实施例中，控制器5采用常规台式计算机实现。

控制器5的控制器处理器51在计算控制量时，遵循以下规则：

(1)以Tt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器3对应的t时刻温度值，以ΔTt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器3对应的当前时刻温度值变化速率，则有ΔTt,n＝Tt,n‐Tt‐1,n；其中t表示当前时刻，t‐1表示上一测量时刻，N为实际安装的温度传感器3数量；本实施例中，采样间隔时间为5秒，温度传感器3的数量N为6个；

(2)以STn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器参数设定端口53设定的各温度传感器3的温度上限，ΔSTn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器5的参数设定端口53设定的各温度传感器3的温度变化率上限；本实施例中，设定的各温度传感器3的温度上限STn＝25K(n＝1,2,…,N)，设定的各温度传感器3的温度变化率上限ΔSTn＝0.002K/s(n＝1,2,…,N)；

(3)以Pt,n表示各温度传感器3的状态，当且仅当Tt,n<STn与ΔTt,n<ΔSTn同时成立时Pt,n＝1，否则Pt,n＝0；

(4)可以通过计算控制量Qt，其中符号表示多个变量的“乘”运算，其中下标“n＝1”表示变量的起始编号，上标“N”表示变量的终止编号；

(5)计算得到的控制量Qt可能为“0”或者“1”，其中“Qt＝0”表示停止，“Qt＝1”表示启动；控制器处理器51将其发送至控制器控制量输出端口54，控制器控制量输出端口54将其转化为相应的停止或启动信号，并发送至制冷机1的控制开关14，由此实现制冷机1的启停控制。

图2所示为高温超导磁体6个关键位置的温度曲线，包含电流引线61处2个、骨架62处2个和内部超导带材焊接接头63处2个。根据6个温度传感器3测得的实时温度值，控制器处理器51则可由控制量计算方法获得控制量。

当然，此发明还可以有其他变换，并不局限于上述实施方式，本领域技术人员所具备的知识，还可以在不脱离本发明构思的前提下作出各种变化，这样的变化均应落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述的温度控制系统包括制冷机、杜瓦、温度传感器、控制器和高温超导磁体，所述的制冷机包括一冷头，所述冷头设置在杜瓦上并通过一管道与所述的制冷机连接，所述高温超导磁体设置在所述杜瓦内，所述高温超导磁体与所述冷头连接，所述温度传感器设置于高温超导磁体的关键节点位置并将温度数据传送给控制器，由控制器根据预设温度控制制冷机工作，其控制方法如下：

(1)以Tt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器对应的t时刻温度值，以ΔTt,n(n＝1,2,…,N)表示各温度传感器对应的当前时刻温度值变化速率，则有ΔTt,n＝Tt,n‐Tt‐1,n；其中t表示当前时刻，t‐1表示上一测量时刻，N为实际安装的温度传感器数量；

(2)以STn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器设定的各温度传感器的温度上限，ΔSTn(n＝1,2,…,N)表示通过控制器设定的各温度传感器的温度变化率上限；

(3)以Pt,n表示各温度传感器的状态，当且仅当Tt,n<STn与ΔTt,n<ΔSTn同时成立时Pt,n＝1，否则Pt,n＝0；

(4)通过计算控制量Qt，其中符号表示多个变量的“乘”运算，其中下标“n＝1”表示变量的起始编号，上标“N”表示变量的终止编号；

(5)计算得到的控制量Qt可能为“0”或者“1”，其中“Qt＝0”表示停止，“Qt＝1”表示启动；控制器将其转化为相应的停止或启动信号，并发送至制冷机的控制开关，由此实现制冷机的启停控制。

2.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述制冷机包括一压缩机，所述冷头一端设置在杜瓦内并通过一软铜带与高温超导磁体连接，另一端设置在杜瓦外部并通过一氦气管道与制冷机的压缩机连接，所述制冷机设置控制开关，所述控制开关电气连接到所述控制器。

3.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述杜瓦为单层不锈钢制作，所述高温超导磁体为钇钡铜氧高温超导带材制备。

4.根据权利要求2所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述高温超导磁体设有骨架、内部超导带材和电流引线，所述电流引线通过螺母固定在所述骨架上，所述内部超导带材螺旋绕制在所述骨架外侧，所述高温超导磁体的关键节点位置为设置在高温超导磁体的骨架位置以及电流引线位置。

5.根据权利要求4所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述骨架环形结构，所述内部超导带材中间设有若干个内部超导带材焊接接头，所述高温超导磁体的关键节点位置还包括所述内部超导带材焊接接头。

6.根据权利要求4所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述电流引线采用紫铜制作且包覆绝缘。

7.根据权利要求1所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述的温度控制系统还包括一温度测量仪表，所述温度传感器将温度数据通过温度测量仪表传送给所述控制器，所述温度测量仪表具有温度测量仪表输入端口并连接至温度传感器，所述温度测量仪表具有温度测量仪表输出端口并连接至控制器。

8.根据权利要求7所述的传导冷却高温超导磁体的温度控制系统的控制方法，其特征在于，所述的控制器包含控制器输入端口、控制器参数设定端口、控制器控制量输出端口、控制器处理器，所述控制器输入端口与所述温度测量仪表输出端口连接，所述控制器控制量输出端口与所述控制开关连接，控制器参数设定端口通过输入按钮设定控制器的运行参数，并将设定的参数传送至控制器处理器，控制器处理器根据采集的温度传感器数值与设定的运行参数，计算得到控制量，并通过控制器控制量输出端口发送至制冷机的控制开关。