CN106710778A - 一种直接冷却的超导线圈及冷却方法 - Google Patents

一种直接冷却的超导线圈及冷却方法 Download PDF

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Abstract

一种直接冷却的超导线圈，包括有骨架，骨架从内到外依次绕制有：绕组一、细铜线一、冷却层一、绕组二、细铜线二、冷却层二、绕组三；冷却层和冷却层的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接；在线圈绕组层间绕制细铜线和无氧铜线，细铜线用于保护下层线圈并调节冷却层位置；通过使用本发明中的冷却方法，可以使磁体绕组的温度降更加均匀，增强了磁体的冷却效果，磁体的温度均匀性将提高，从而降低了磁体失超风险，特别是绕组较厚的磁体，由于使用了冷却层，使磁体的降温时间显著减少，同时也缩短了磁体失超后再恢复的时间。

Description

一种直接冷却的超导线圈及冷却方法
技术领域
本发明属于超导磁体技术领域，具体涉及一种直接冷却的超导线圈及冷却方法。
背景技术
自1909年发现超导现象以来，超导材料及其应用技术有了较快的进步。在科学研究（高场磁体，分析用的核磁共振磁体，加速器磁体，粒子探测器磁体，等等）、医疗/食品（医用磁共振成像磁体，食品分离用磁体）、一般工业（Si单晶生长磁体，钢连铸用磁体，水处理用磁分离磁体）、交通/运输（磁悬浮列车，船舶推进，弹射器）和电力（电力传输电缆，故障电流限制器，变压器，发电机，马达，储能等）等领域有了很广泛的应用。
超导材料的应用主要载体为超导磁体。超导磁体的运行稳定性直接决定了磁体设备的运行可靠性。常见的超导材料有NbTi，Nb3Sn，MgB2等，该类超导磁体都需要在液氦温区内运行，同时，随着液氦资源的紧张，低温制冷技术的发展，传导冷却（conduction-cooled，也称制冷机冷却、无液氦、Cryogen-Free）超导磁体技术的研究正在逐步走向实用。传导冷却磁体要求整个绕组具有良好的热传导性能，骨架一般为热导较好的材料，以顺利实现快速降温。因此，对于NbTi超导磁体，磁体绕组的骨架材料一般为铜或铝。但对于Nb3Sn磁体绕组，由于磁体需要在700℃高温下进行热处理形成Nb3Sn，一般不使用铜与铝材料，常用材料为不锈钢。但是，不锈钢的热导与铜或铝相比较小，不利于磁体降温，制备的磁体的稳定性会受到温度均匀性的影响。因此，如果能在超导线圈层间添加热导率较好的材料实现对线圈的辅助冷却，超导线圈的冷却效果会有明显改善，磁体的稳定性将有显著的增加，同时也会缩短降温时间。
目前传导冷却超导磁体绕组层间一般都不进行特别处理，有时为了使用不同线径的超导线还会采用层间铺垫绝缘材料的处理方式，而绝缘材料的热导率远比金属小，减小了超导线圈间的热导能力。因此，获得一种操作简单、易于实现、适用性强的传导冷却方法实现降低磁体失超风险、减小制冷机直接冷却磁体的降温时间的冷却方法十分必要。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种直接冷却的超导线圈及冷却方法，克服超导磁体冷却技术的问题，冷却结构简单，易于实现，适用于超导磁体绕组的冷却。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种直接冷却的超导线圈，其特征在于，包括有骨架，骨架从内到外依次绕制有：绕组一、细铜线一、冷却层一、绕组二、细铜线二、冷却层二、绕组三；冷却层一和冷却层二的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
所述的骨架采用非磁性奥氏体不锈钢制作。
所述的冷却层一、冷却层二矩形铜线绕制。
所述的冷却层一采用矩形无氧铜线。
所述的骨架两侧设有槽口。
冷却层二采用矩形无氧铜线。
所述的绕组三外浸渍环氧树脂。
一种超导线圈的直接冷却方法，对于不需要热处理的超导绕组，其特征在于，骨架上从内到外依次设置有绕组一、细铜线一、冷却层一、绕组二、细铜线二、冷却层二、绕组三，包括如下步骤：
步骤1，绕组一绕制
按照一般常规方法绕制绕组一，绕制过程中超导线材的出入端从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一绕制
按照一般常规方法进行细铜线的绕制，填满绕组一外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一外侧的平整，绕制过程中细铜线一的出入端锡焊在细铜线本体上；
步骤3，冷却层一绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二绕制
按照一般常规方法进行绕组二的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二绕制
按照一般常规方法进行细铜线二的绕制，填满绕组二外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二外侧的平整，绕制过程中细铜线二的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形无氧铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三绕制
按照一般常规方法进行绕组三的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对完成绕制的超导磁体绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤9，冷却层一、冷却层二与制冷机相连。
所述的将冷却层一、冷却层二的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
一种超导线圈的直接冷却方法，使用不能线径且线圈厚度较厚的NbTi绕组，其特征在于，在骨架上由内至外依次设置绕组一、细铜线一、冷却层一、绕组二、细铜线二、冷却层二、绕组三，包括以下步骤：
步骤1，绕组一绕制
按照一般常规方法进行绕组一的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一绕制
按照一般常规方法进行细铜线一的绕制，填满绕组一外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一外侧的平整，绕制过程中细铜线一的出入端可锡焊在细铜线一本体上；
步骤3，冷却层一绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二绕制
按照一般常规方法进行绕组二的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二绕制
按照一般常规方法进行细铜线二的绕制，填满绕组二外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二外侧的平整，绕制过程中细铜线二的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三绕制
按照一般常规方法进行绕组三的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组热处理
根据线材需要的热处理要求，对已经完成绕制的超导磁体绕组进行热处理；
步骤9，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤10，冷却层一、冷却层二与制冷机相连。
所述的将冷却层一、冷却层二的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
所述的方法应用在制冷机直接冷却磁体中，尤其是超导线圈厚度较厚时，用所述方法可以使线圈分层冷却，增强线圈导冷能力，降低线圈上的温差，维持磁体的稳定运行。
超导线圈厚度较薄时，采用制冷机直接冷却方式对线圈进行冷却，线圈骨架由非磁性奥氏体不锈钢、铝或钛合金制作。
在线圈绕组层间绕制细铜线和无氧铜线，细铜线用于保护下层线圈并调节冷却层位置。
本发明的有益效果是：
在线圈绕组层间绕制细铜线和无氧铜线，细铜线用于保护下层线圈并调节冷却层位置；可以使磁体绕组的温度降更加均匀，增强了磁体的冷却效果，磁体的温度均匀性将提高，从而降低了磁体失超风险，特别是绕组较厚的磁体，由于使用了冷却层，使磁体的降温时间显著减少，同时也缩短了磁体失超后再恢复的时间；用于对绕制在骨架上的超导磁体线圈进行直接冷却，通过运用本发明提出的方法，改善线圈与线圈及骨架间的传热条件，降低线圈内温差和线圈的温升。
附图说明
图1是本发明超导绕组结构剖视图。
图2是本发明超导绕组结构侧视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参见图1、2，一种超导磁体的冷却方法，线圈骨架由非磁性奥氏体不锈钢制作，利用细铜线和矩形铜线在线圈层间铺设冷却层；包括有骨架8，骨架8从内到外依次绕制有：绕组一1、细铜线一2、冷却层一3、绕组二4、细铜线二5、冷却层二6、绕组三7；冷却层一3和冷却层二6的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
所述的骨架1采用非磁性奥氏体不锈钢制作。
所述的冷却层一3、冷却层二6矩形铜线绕制。
所述的冷却层一3采用矩形无氧铜线。
所述的骨架两侧设有槽口9。
冷却层二6采用矩形无氧铜线。
所述的绕组三7外浸渍环氧树脂。
超导线圈厚度较薄时，采用制冷机直接冷却方式对线圈进行冷却，线圈骨架由非磁性奥氏体不锈钢、铝或钛合金制作。
在线圈绕组层间绕制细铜线和无氧铜线，细铜线用于保护下层线圈并调节冷却层位置。
实施例1：
一种超导线圈的直接冷却方法，对于不需要热处理的超导绕组，如NbTi绕组，骨架上从内到外依次设置有绕组一1、细铜线一2、冷却层一3、绕组二4、细铜线二5、冷却层二6、绕组三7，包括如下步骤：
步骤1，绕组一1绕制
按照一般常规方法绕制绕组一1，绕制过程中超导线材的出入端从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一2绕制
按照一般常规方法进行细铜线的绕制，填满绕组一1外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一2外侧的平整，绕制过程中细铜线一2的出入端锡焊在细铜线本体上；
步骤3，冷却层一3绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一2上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二4绕制
按照一般常规方法进行绕组二4的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二5绕制
按照一般常规方法进行细铜线二5的绕制，填满绕组二4外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二5外侧的平整，绕制过程中细铜线二5的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二6绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二5上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形无氧铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三7绕制
按照一般常规方法进行绕组三7的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对完成绕制的超导磁体绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤9，冷却层一3、冷却层二6与制冷机相连。
将冷却层一3、冷却层二6的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
实施例2：
本绕组是使用不变线径且线圈厚度较厚的NbTi绕组，其步骤如下：
一种超导线圈的直接冷却方法，使用不变线径且线圈厚度较厚的NbTi绕组，如Nb3Sn、Nb3Al绕组，在骨架上由内至外依次设置绕组一1、细铜线一2、冷却层一3、绕组二4、细铜线二5、冷却层二6、绕组三7，包括以下步骤：
步骤1，绕组一1绕制
按照一般常规方法进行绕组一1的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一2绕制
按照一般常规方法进行细铜线一2的绕制，填满绕组一1外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一2外侧的平整，绕制过程中细铜线一2的出入端可锡焊在细铜线一2本体上；
步骤3，冷却层一3绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一2上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二4绕制
按照一般常规方法进行绕组二4的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二5绕制
按照一般常规方法进行细铜线二5的绕制，填满绕组二4外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二5外侧的平整，绕制过程中细铜线二5的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二6绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二5上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三7绕制
按照一般常规方法进行绕组三7的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组热处理
根据线材需要的热处理要求，对已经完成绕制的超导磁体绕组进行热处理；
步骤9，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤10，冷却层一3、冷却层二6与制冷机相连。
将冷却层一3、冷却层二6的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
本次设计为制冷机直接冷却磁体，采用不锈钢作为骨架材料，对通过以上步骤完成的绕组进行安装，完成绕组的制造。通过以上步骤，增强了绕组间的导热，绕组的温度均匀性显著提高，显著减少了磁体的降温时间。
对于不需要热处理的超导绕组，只需减少上述步骤8即可。

Claims (7)

1.一种直接冷却的超导线圈，包括有骨架（8），其特征在于，骨架（8）从内到外依次绕制有：绕组一（1）、细铜线一（2）、冷却层一（3）、绕组二（4）、细铜线二（5）、冷却层二（6）、绕组三（7）；冷却层一（3）和冷却层二（6）的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
2.根据权利要求1所述的一种直接冷却的超导线圈，其特征在于，所述的骨架（8）采用非磁性奥氏体不锈钢或黄铜材料制作。
3.根据权利要求1所述的一种直接冷却的超导线圈，其特征在于，所述的冷却层一（3）采用矩形无氧铜线；冷却层二（6）采用矩形无氧铜线。
4.根据权利要求1所述的一种直接冷却的超导线圈，其特征在于，所述的骨架两侧设有槽口（9）。
5.根据权利要求1所述的一种直接冷却的超导线圈，其特征在于，所述的绕组三7外浸渍环氧树脂。
6.一种超导线圈的直接冷却方法，对于不需要热处理的超导绕组，其特征在于，骨架上从内到外依次设置有绕组一（1）、细铜线一（2）、冷却层一（3）、绕组二（4）、细铜线二（5）、冷却层二（6）、绕组三（7），包括如下步骤：
步骤1，绕组一（1）绕制
按照一般常规方法绕制绕组一（1），绕制过程中超导线材的出入端从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一（2）绕制
按照一般常规方法进行细铜线的绕制，填满绕组一(1)外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一（2）外侧的平整，绕制过程中细铜线一（2）的出入端锡焊在细铜线本体上；
步骤3，冷却层一（3）绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一（2）上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二（4）绕制
按照一般常规方法进行绕组二（4）的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二（5）绕制
按照一般常规方法进行细铜线二（5）的绕制，填满绕组二（4）外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二（5）外侧的平整，绕制过程中细铜线二（5）的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二（6）绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二（5）上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形无氧铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三（7）绕制
按照一般常规方法进行绕组三（7）的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对完成绕制的超导磁体绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤9，冷却层一（3）、冷却层二（6）与制冷机相按照一般常规方法进行细铜线一（2）的绕制，填满绕组一（1）外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一（2）外侧的平整，绕制过程中细铜线一（2）的出入端可锡焊在细铜线一（2）本体上。
7.一种超导线圈的直接冷却方法，使用不能线径且线圈厚度较厚的NbTi绕组，其特征在于，在骨架上由内至外依次设置绕组一（1）、细铜线一（2）、冷却层一（3）、绕组二（4）、细铜线二（5）、冷却层二（6）、绕组三（7），包括以下步骤：
步骤1，绕组一（1）绕制
按照一般常规方法进行绕组一（1）的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤2，细铜线一（2）绕制
按照一般常规方法进行细铜线一（2）的绕制，填满绕组一（1）外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线一（2）外侧的平整，绕制过程中细铜线一（2）的出入端可锡焊在细铜线一（2）本体上；
步骤3，冷却层一（3）绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线一（2）上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤4，绕组二（4）绕制
按照一般常规方法进行绕组二（4）的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定；
步骤5，细铜线二（5）绕制
按照一般常规方法进行细铜线二（5）的绕制，填满绕组二（4）外侧超导线之间的间隙，并保持细铜线二（5）外侧的平整，绕制过程中细铜线二（5）的出入端可锡焊在细铜线本体上；
步骤6，冷却层二（6）绕制
将矩形无氧铜线按照一般常规方法绕制在细铜线二（5）上，绕制一层或两层，保持外侧平整，矩形铜线的出入端可从骨架两侧的槽口引出并固定在骨架上；
步骤7，绕组三（7）绕制
按照一般常规方法进行绕组三（7）的绕制，绕制过程中超导线材的出入端可从骨架（8）两侧的槽口引出并固定；
步骤8，绕组热处理
根据线材需要的热处理要求，对已经完成绕制的超导磁体绕组进行热处理；
步骤9，绕组固化
采用一般常规的真空浸渍环氧树脂对绕组进行固化处理，使绕组中超导线材形成一个整体；
步骤10，将冷却层一（3）、冷却层二（6）的接头固定并与制冷机的二级冷头相连接。
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