CN107393676A - 一种用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的特种超导体低温冷却结构设计，包括制冷机、冷却底座、冷却铜柱、冷却铜环、超导定子阵列、Al₂O₃陶瓷盖板、铟片、石墨垫片和防辐射屏等。针对测量系统冷却结构的高冷却效率和低涡流损耗要求，设计涡流效应小的双通路传导冷却结构。该冷却结构在各部分的接触面上均设有减小接触热阻的导热垫片，并且通过设置防辐射屏隔绝外界的辐射热流。测量系统工作时，涡流效应微弱的Al₂O₃陶瓷盖板和石墨垫片处于磁场变化剧烈区域，而涡流效应明显的冷却底座、冷却铜环和冷却铜柱与该区域相隔离，这种传导冷却结构布局抑制了传导冷却结构的涡流损耗。

Description

一种用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构

技术领域

本发明专利涉及高效率的冷却结构设计，尤其是应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构。

背景技术

电推力器等空间推进装置的推力性能评估主要依靠微小推力测量系统。一般而言，电推力器所提供的推力非常微小，只有uN到mN量级，这就要求微小推力测量系统具有较高的精度和较好的灵敏度。超导磁悬浮微小推力测量系统以其非接触、低摩擦的特点，具有较好的灵敏性和精度，可以满足mN量级微小推力的测量要求。该型测量系统的性能很大程度上受超导定子温度的影响。悬浮摩擦损耗会随着超导体温度的降低而减少，而悬浮力则会随超导体温度的降低而增加。可见，超导体的良好冷却对于超导磁悬浮微小推力测量系统的性能提升十分重要。

目前，超导体的冷却主要有两种，分别为低温液体对流冷却和制冷机传导冷却。低温液体对流冷却是指将超导体浸入液氮、液氦和液氖等低温液体中进行冷却，该冷却方式可以实现超导体的快速均匀冷却，但是其冷却温度受低温液体沸点的限制，难以获得较宽的冷却温度范围。制冷机传导冷却是指将超导体放置于斯特林、GM和脉冲管等低温制冷机的冷头上进行传导冷却。该冷却方式可以使超导体在较宽的范围内冷却到指定温度，具有较大的灵活性，但是其冷却时间较长，且难以实现超导体的均匀冷却。现有的两种超导体冷却方式均难以满足超导磁悬浮微小推力系统的要求。

永磁动子的摆动或转动会在金属部件上产生较大的涡流损耗。在低温条件下，紫铜等良导热金属的涡流效应会随温度的降低急剧增加。限于超导体的制造工艺水平，测量系统所用的超导定子需由较小的超导体拼接而成。这些超导体的尺寸往往存在0.1mm量级的尺寸差异，导致超导定子表面平整性较差，增加了接触热阻。以上这些问题增加了微小推力测量系统中超导定子冷却结构的设计难度。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是为了解决磁悬浮微小推力测量系统中超导定子冷却的问题。设计了应用于超导定子特种传导冷却结构及其各部分导热材质，实现了超导体的良好冷却效果。

2.技术方案

本发明可以由下列技术方案来实现：传导冷却结构主要包括制冷机、冷却底座、冷却铜柱、冷却铜环、Al₂O₃陶瓷盖板、铟片、石墨片和防辐射屏等。

制冷机固定在真空舱底部，是冷却结构的冷源，并为冷却结构提供机械定位连接。

冷却底座由紫铜制成，通过0Cr18Ni9Ti不锈钢螺钉与制冷机端面良好的接触，并设置有冷却铜柱和冷却铜环的安装定位。冷却铜柱的安装孔距离永磁悬浮环较远，削弱了冷却铜柱所经历的交变磁场，从而抑制了冷却铜柱的涡流摩擦损耗。

冷却铜环主要为超导定子阵列的底面提供冷量通路，并使永磁悬浮环的磁场远离冷却底座，从而抑制冷却底座上的涡流摩擦损耗。冷却铜环顶部设有凹槽，可为超导定子阵列提供定位。冷却铜环可根据超导定子阵列的变化进行改变设计，从而适应不同的超导定子阵列构型。

超导定子阵列主要由瓦片状的高温超导体YBCO拼接而成，为本发明传导冷却结构的被制冷对象，其可利用超导体的迈斯纳效应将冷却铜环与永磁悬浮环间的磁场隔开，从而大大削弱了冷却铜环上的涡流摩擦损耗。

Al₂O₃陶瓷盖板由低温下良导热绝缘材料Al₂O₃制成，从根本上消除了其中的涡流摩擦损耗。该陶瓷位于超导定子阵列之上，其边缘有冷却铜柱的安装通孔。冷却铜柱通过紫铜螺母与Al₂O₃陶瓷盖板和冷却底座预紧连接，Al₂O₃陶瓷盖板与冷却铜柱构成了超导定子阵列的顶面冷量通路。此外，白色光洁的Al₂O₃陶瓷盖板对热辐射吸收率极低，可以隔绝温度较高的区域从顶面对超导定子阵列的辐射热流。

超导定子阵列和Al₂O₃陶瓷盖板之间设有分割的石墨垫片以减小它们的接触热阻，实现良好的导热效率和低的涡流损耗，其可以有效的填补超导定子阵列拼接块材的高度缝隙，保证每一个块材都能充分预紧冷却。其他各部分的连接处均设有铟片以实现良好的导热接触。

防辐射屏是一个包围传导制冷结构的敞口圆筒结构，内外壁面都是光洁的铝箔反射面。防辐射屏处于常温状态，与制冷结构没有接触，覆盖高度范围从真空舱底面到Al₂O₃陶瓷盖板顶面，其主要作用是抑制温度较高区域从侧面对超导定子阵列的辐射热流。

3.有益效果

本发明与现有超导体冷却方式相比，可兼顾较好的冷却温度均匀性和较大的温度调节范围，保持较高的冷却效率，并尽可能少的引入涡流损耗。本发明制冷结构增加了冷量传导通路，使超导定子各部分的温度较为一致变化，提高了超导定子的温度均匀性。采用常温防辐射屏有效隔绝外界对超导定子阵列的辐射影响，可使超导定子整体快速冷却到指定温度，从而提高了制冷效率。利用超导体的迈斯纳效应，并采用Al₂O₃陶瓷和石墨垫片等材料，极大的抑制冷却结构的涡流摩擦损耗，使得超导磁悬浮微小推力测量系统的摩擦损耗降低到10^-6，满足mN级别推力测试要求。

附图说明

图1应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导低温冷却结构示意图；

图2超导定子传导冷却结构及其局部放大图；

图3超导定子与Al₂O₃陶瓷盖板之间石墨垫片分割示意图；

见图1，1为制冷机，2为冷却底座，3为冷却铜柱，4为冷却铜环，5为超导定子阵列，6为 Al₂O₃陶瓷盖板，7为永磁悬浮环，8为推力器平台，9为电推力器，10防辐射屏。

见图2，11为铜螺母，12为冷却底座固定螺钉，13为各接触垫片(铟片)，14为石墨垫片。

具体实施方式

发明的核心结构是GM制冷机和永磁悬浮环之间的超导定子阵列传导冷却结构。

首先保证结构的正确设计与安装。为减小金属部件的涡流损耗，合理设计冷却底座2和冷却铜环3使得工作时永磁悬浮环7与二者的最小距离H与L均大于60mm。为充分利用迈斯纳效应抑制冷却铜环3和冷却底座2的涡流摩擦损耗，永磁悬浮环7的宽度Wpm须小于超导定子阵列的宽度Ws，并且冷却铜环3凹槽的深度h不得超过3mm，边缘台阶宽度不超过1.5mm。冷却底座2和制冷机1之间采用0Cr18Ni9Ti不锈钢冷却底座固定螺钉12压紧，增强冷却底座2和制冷机1之间导热能力。冷却铜环3与超导定子阵列5和冷却底座2之间以及冷却铜柱4与Al₂O₃陶瓷盖板6和冷却底座2之间均垫有铟片13。铟片13在低温下热导率较高，并且比较柔软，在压力的作用下可有效填充两接触面之间的缝隙，进而有效的减小接触热阻。超导定子阵列5和Al₂O₃陶瓷盖板6之间设有采用图3分割方式的石墨垫片14。由于工艺限制，高温超导块材的尺寸往往存在0.1mm量级的差异，石墨垫片14可以填补超导定子块材间的高度缝隙，从而保证超导定子阵列5中的每一个块材都与Al₂O₃陶瓷盖板6充分接触。冷却铜柱4通过铜螺母11使Al₂O₃陶瓷盖板6和冷却底座2产生预紧压力，增强了传导冷却结构各接触面的冷却能力。

冷却开始后，超导定子阵列5的热量沿上下两路流向冷端：一路从超导定子阵列5的底面，经紫铜制的冷却铜环3和冷却底座2，流入制冷机1；另一路从超导定子阵列5的顶面，经Al₂O₃陶瓷盖板6、冷却铜柱4和冷却底座2，流入制冷机1。双路冷量通道的设计可使超导定子阵列的温度均匀性和冷却效率得到提高。

随着传导冷却结构和周围环境的温差增大，热辐射对冷却的影响愈加显著。受该辐射热流的影响，超导定子阵列的冷却效率其自身温度呈负相关，并且最终很难降低到预定温度。防辐射屏10的内外表面设有反射率0.93的铝箔，可有效的阻隔周围环境的热辐射。这种多层结构的防辐射屏取得了很好的效果，既提升了超导定子阵列的冷却效率，也使其降低到了预定温度。

当超导定子阵列5稳定在超导态的某一温度时，电推力器9点火工作，推力器平台8和永磁悬浮环7开始摆动或转动，微小推力测量系统开始对电推力器的推力性能进行测量评估。传导冷却结构距离永磁悬浮环最近的是绝缘的Al₂O₃陶瓷盖板6，没有涡流摩擦损耗。虽然石墨垫片14在低温下热导率低于铟片13，但是其在低温下的电阻与远远大于铟片13，尤其采用了图3所示的切割方式，石墨垫片14中的涡流损耗得到了极大的抑制。冷却铜环4和由于超导定子阵列5的迈斯纳效应与永磁悬浮环7的磁场隔开，几乎不产生涡流摩擦损耗。冷却铜柱4和冷却铜环3距离永磁悬浮环7较远(大于60mm)，磁场变化微小，所以二者造成的涡流损耗可以忽略不计。

综上所述，本发明有效实现了超导磁悬浮微小推力测量系统中非常关键的超导定子冷却的问题，提高了对超导定子冷却的效率，改善了超导定子各部分温度的均匀性，降低了超导定子的最低冷却温度。同时，推力测量系统的涡流摩擦损耗得到了极大的抑制，提高了微小推力测量系统的稳定性、可操作性和精度。

Claims (7)

1.一种用于超导磁悬浮微小推力测量系统的超导体冷却结构，包括制冷机、冷却底座、冷却铜柱、冷却铜环、超导定子阵列、Al₂O₃陶瓷盖板、铟片、石墨垫片和防辐射屏等。其特征在于，针对测量系统中超导定子冷却结构的宽温度调节范围、高冷却效率和低涡流损耗要求，设计双传导冷却通路的特种结构布局提高冷却效率，采用特殊材料抑制涡流摩擦损耗的影响。双传导冷却通路具体包括由冷却底座、冷却铜环和超导定子底面组成的下冷却通路以及由冷却底座、冷却铜柱、Al₂O₃陶瓷盖板和超导定子顶面组成的上冷却通路，可使超导定子中热量更有效的传至制冷机冷头。超导定子顶面与Al₂O₃陶瓷盖板之间设有石墨垫片，其余各件的接触面上设有铟片，通过冷却铜柱上的铜螺母完成对传导冷却结构的预紧，使导热垫片充分填充接触面的缝隙，减小接触热阻。高反射率的防辐射屏和Al₂O₃陶瓷盖板隔绝外界对冷却结构的辐射热流，进一步降低超导定子的冷却温度并改善温度均匀性。当测量系统工作时，传导冷却结构中位于磁场变化剧烈区域主要有Al₂O₃陶瓷盖板为绝缘体和石墨垫片：前者在低温下为绝缘体，不会产生涡流摩擦损耗；后者的涡流效应随温度降低大幅下降，并且采用分割组合的方式也可阻断大涡流回路，其上的涡流摩擦损耗可以忽略不计。冷却铜柱和冷却底座距离磁场剧烈变化区域较远，其涡流摩擦损耗也可以忽略不计。超导体的迈斯纳效应将冷却铜环与这一区域隔开，从而消除了冷却铜环上的涡流摩擦损耗。

2.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的冷却结构设计，其特征在于，设置双传导冷却通路，具体包括由冷却底座、冷却铜环和超导定子底面组成的下冷却通路以及由冷却底座、冷却铜柱、Al₂O₃陶瓷盖板和超导定子顶面组成的上冷却通路，使超导定子中的热量更有效传至制冷机冷头。

3.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量台架的冷却结构设计，其特征在于，设置冷却底座扩大安装面积，使得冷却铜柱远离永磁悬浮环60mm以上。

4.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的冷却结构设计，其特征在于，冷却铜环使永磁悬浮环的磁场远离冷却底座60mm以上，从而抑制冷却底座上的涡流摩擦损耗；冷却铜环顶部设有凹槽，其深度小于3mm，边缘宽度小于1.5mm；冷却铜环可根据超导定子阵列的变化进行改变设计，从而适应不同的超导定子阵列构型。

5.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的冷却结构设计，其特征在于，Al₂O₃陶瓷盖板由99％含量的Al₂O₃陶瓷板材研磨钻孔制成，其在低温下是绝缘良导热体，可有效消除交变磁场造成的涡流摩擦损耗。Al₂O₃陶瓷盖板成光洁的白色，对热辐射吸收率极低，可以隔绝为温度较高的区域从顶面对超导定子阵列的辐射热流。

6.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的冷却结构设计，其特征在于，超导定子阵列和Al₂O₃陶瓷盖板之间设有分割的石墨垫片以实现良好的导热能力和低的涡流损耗；该石墨垫片可以有效的填补超导定子阵列拼接块材的高度缝隙，保证每一个块材都能充分预紧冷却。

7.根据权利要求1所述的一种应用于超导磁悬浮微小推力测量系统的冷却结构设计，防辐射屏为一覆盖真空舱底面到Al₂O₃陶瓷盖板顶面的圆筒结构，其内外壁面均为反射率达0.93的铝箔反射面，与制冷结构没有接触，处于常温状态，可有效的隔绝温度较高区域从侧面对超导定子阵列的辐射热流。