CN107795794B - 高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构，该管路结构包括内管、外管、超导体、永磁体、记忆合金作动器和真空腔。针对低温工质输运传导性漏热较为严重的问题，通过在输运低温工质的内管上固定超导体，外管内壁相对布置永磁体，超导体冷却后，与永磁体间产生自稳无控的磁悬浮作用，输运管路悬浮隔离，同时内外管间为真空腔，从而最大程度减少输运管路的传导和对流漏热。低温工质输运前由记忆合金作动器作内外管间机械支撑，输运时通过传导冷却使超导体实现超导，当作动器达到相变温度时，记忆合金收缩，内外管间由作动器机械支撑转变为超导磁悬浮支撑，隔断内外管间传导性漏热，从而使该输运管路结构进入低漏热的工作状态。

Description

高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构

技术领域

本发明涉及低温工质管道输运领域。

背景技术

低温工质(如液氢)在输运和使用过程中，漏热问题是限制其大规模应用的主要障碍。漏热导致的液氢气化将使管道内压强不断上升，从而容易造成安全隐患，因此漏热是液氢应用中必须进一步解决的关键问题。真空绝热管道绝热效果好，节省空间，是主要绝热保冷方式，但其内外管间不可避免的机械支撑会导致传导性漏热，尤其对于长距离输运或空间极低损耗输运而言，机械支撑传导漏热的影响会越来越严重，据估计其占整个内外管冷损的50％以上，成为限制低温工质管道结构效率的主要因素。

非理想Ⅱ类超导体(即高温超导体，High temperature superconductor，HTSC)处于外磁场环境中并于80K左右温度下冷却且实现超导时，由于自身晶体缺陷将俘获一定磁通并同时保持超导电性。当超导体相对磁场运动时，超导体表层感应电流将产生与运动方向相反的电磁感应力，而超导体内已俘获磁通由于缺陷钉扎效应将产生磁通钉扎力，电磁感应力与磁通钉扎力的共同作用约束了超导体的多自由度运动，从而提供了一种非接触的自稳定支撑方式。

将这种非接触的自稳定支撑方式应用于真空绝热管道内外管之间，提供一种非接触的悬浮隔离支撑，有望极大程度地减少低温输运管线中热传导带来的漏热，从而有利于低温输运管线的优化设计和性能提升。

据此，本专利阐述了一种可以降低支撑结构传导漏热的高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构。

发明内容

1.发明目的

为了减少液氢等低温工质输运过程中的传导漏热，本专利的高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构利用高温超导磁悬浮的非接触自稳定支撑特性，将传统的机械支撑转换为非接触的悬浮支撑方式。

2.技术方案

本发明的目的可以由下列技术方案来实现:低温工质输运管路结构由内管、外管、超导体及其三角形紫铜固定结构、永磁体、形状记忆合金作动器和真空腔组成。

低温工质通过内管输运，内外管之间抽真空，减少对流换热，外管形状跟随内管及所属部件的形状变化而变化，以节省空间。

超导体固定结构由热导率较高的三角形紫铜结构制作，套在内管上，与内管形成紧配合。同时，紫铜固定结构与超导体平面配合，超导体沿内管周向均匀分布，并通过两个耳片装夹，使超导体保持良好的热接触。输运低温工质时，超导体由内管直接传导冷却，达到超导温度,体现出超导悬浮特性，从而使超导磁悬浮与低温工质输运达到良好的结构性融合。

超导体与永磁体构成超导磁悬浮单元，圆柱形永磁体固定在外管内壁，与超导体对应周向分布。永磁体与超导体保持端面平行，当超导体进入超导态后，永磁体与超导体之间的电磁感应力和磁通钉扎力，不仅能在径向起到悬浮支撑的作用，而且沿管路轴向和周向都将形成显著的电磁约束力，永磁体与超导体间产生的电磁力可以实现内外管间轴向、径向和周向 的三维磁约束与定位，达到内外管间良好的磁悬浮约束支撑效果。

记忆合金作动器固定在内管上，感受内管的温度，在超导体达到超导临界温度之前承担内外管间的机械支撑；当超导体达到超导临界温度后，作动器中记忆合金弹簧达到相变温度，长度收缩，触手收回，使内、外管分离，同时过渡到超导悬浮支撑状态。采用记忆合金作动器避免了电控伸缩支撑机构，使该种低温工质输运管路结构更为简单和紧凑。

3.有益效果

本发明与现有技术相比可以减少液氢等低温工质输运管路中的传导漏热，提高其利用效率，节约能源，同时会降低安全隐患，推动氢能源或其他低温工质的使用。利用记忆合金作动器实现在一定温度自动去除机械支撑可以避免复杂的电控组件，大大地简化结构，节约空间。应用在航空航天领域，可以提高液氢、液氧的利用率，从而提高火箭运载能力。

附图说明

图1低温工质输运管路结构总体示意图

图2记忆合金作动器工作示意图

图3超导体装夹结构示意图(3块装夹)

见图1，1为永磁体，2为超导体组件，3为外管，4为内管，5为记忆合金作动器组件。

见图2，6为记忆合金弹簧，7为导向柱，8为记忆合金弹簧固定底座。

见图3，9为超导体，10为超导体装夹耳片，11为超导体安装基座。

具体实施方式

超导体组件2和记忆合金组件5相邻固定在低温内管4上。永磁体1沿轴向对应固定在外管3内侧，同时位于超导体组件2的外侧。记忆合金弹簧6套在导向柱7上，固定在记忆合金弹簧安装基座8上。超导体9通过两个半圆形紫铜装夹耳片10固定在超导体安装基座11上。

超导体9超导临界温度要求在低温工质温度以上，可以根据工质温度选择不同超导临界温度的超导体。对于液氢(沸点22K)，可选用圆柱形YBCO超导体(临界温度90K)。

低温工质通过内管4输运，根据超导体9所能提供的钉扎力大小与使用的超导体9数量，确定超导体组件2的布置间隔。

根据内管3的外径和超导体9的尺寸选择超导体安装基座11的侧面数和超导体组件2的超导体数目。超导体安装基座11的每个侧面可以固定一个超导体，也可不布置超导体。为使受力均匀从而使内管位于中心位置，超导体9要均匀布置。

根据记忆合金弹簧6的承载能力和实际受载情况选择单个记忆合金作动器组件5需要的记忆合金弹簧6的个数。根据超导体9冷却到超导临界温度的快慢和记忆合金作动器5的传热条件，选用适合于相变温度的记忆合金弹簧6，使超导悬浮支撑建立的同时记忆合金作动器5也正好启动，自动去除机械支撑。

内管4中没有通入液氢时，在导向柱7的导向和定位约束下，多个记忆合金弹簧6沿内管外壁周向排列，提供结构支撑力实现低温工质输运前的内外管间支撑。输运液氢时，固定在内管4上的超导体9会被液氢冷却到其超导临界温度以下，达到超导状态，从而与固定在外管3上的永磁体1实现自稳定悬浮支撑。此时记忆合金作动器5中的记忆合金弹簧9沿导向柱7收缩，使记忆合金作动器5去除对内管4的支撑，实现悬浮，从而达到减少液氢输运传导漏热的效果。

Claims (4)

1.一种高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构，该管路结构包括内管、外管、超导体及其紫铜固定结构、永磁体、形状记忆合金作动器和真空腔，其特征在于：针对低温工质输运管路传导性漏热较为严重的问题，通过在输运低温工质的内管外壁上固定若干超导体，且超导体沿内管周向均匀分布，在外管内壁的对应位置处固定永磁体，永磁体和超导体保持端面平行，当超导体进入超导态后，永磁体与超导体之间的电磁感应力和磁通钉扎力，不仅能在径向起到悬浮支撑的作用，而且沿管路轴向和周向会形成显著的电磁约束力，使低温冷却后的超导体与永磁体间产生自稳无控的磁悬浮作用实现输运管路内外管间的悬浮隔离，同时内外管间为真空腔，从而最大程度地减少了输运管路内部的传导和对流漏热；超导低温由低温工质内管传导冷却提供,超导磁悬浮与低温工质输运达到了良好的结构性融合；低温工质输运前的内外管间支撑由形状记忆合金作动器来实现，形状记忆合金作动器固定在内管上，低温工质输运时通过传导冷却使超导体实现超导，当作动器达到相变温度时，记忆合金收缩，内外管间支撑由作动器机械支撑转变为超导磁悬浮支撑，以便于隔断内外管间机械支撑造成的传导性漏热，从而使该输运管路结构进入低漏热损耗的工作状态。

2.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构，其特征在于：超导体选择圆柱形YBCO高温超导体，超导体固定在紫铜固定结构上然后与内管外壁实现紧配合，紫铜固定结构上再通过两个半圆形紫铜环夹紧超导体，达到对超导体的良好传导冷却。

3.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构，其特征在于：圆柱形永磁体固定在外管内壁，与超导体对应周向分布。

4.根据权利要求1所述的高温超导磁悬浮低温工质输运管路结构，其特征在于：形状记忆合金作动器主要包括温控记忆合金弹簧和导向柱，在导向柱的导向和定位约束下，多个记忆合金弹簧沿内管外壁周向排列，提供结构支撑力实现低温工质输运前的内外管间支撑。

Images