CN108922725B - 一种承力超导磁体用固氮低温容器 - Google Patents

Abstract

一种承力超导磁体用固氮低温容器，内筒与外筒之间设有支撑形成真空夹层，真空夹层内充填有防辐射材料和隔热材料，超导磁体骨架固定在内筒内壁上，液氮进出管与内筒连通；液氮盒设置在真空夹层内；下过渡管、下低温容器盖和下无磁金属传导块焊接为一体后固定在内筒顶部开口处，上过渡管、上低温容器盖和制冷机上法兰焊接为一体后固定在外筒顶部开口处；制冷机下法兰和上无磁金属传导块焊接在可伸缩的弹性波纹管上、下端，上、下无磁金属传导块在制冷机冷却时呈接触状态，在制冷机冷头完成后呈分离状态。本发明能为冷却超导磁体提供廉价的固氮低温煤质，具有制冷机冷头可插拔、结构承力性强、绝热性能好等优点。

Description

一种承力超导磁体用固氮低温容器

技术领域

本发明涉及低温工程、超导磁体等技术领域，具体涉及一种承力超导磁体用固氮制取与储存低温容器。

背景技术

液氮在温度降至63 K（-210℃）左右时存在液-固相变，继续降温可凝为固体，即为固氮。固氮易于制备、质量轻、热容大且电绝缘性好，是一种获取极低温度冷却超导磁体的廉价制冷媒质。固氮在温度降至35.6 K左右时存在固-固相变，这个相变引起固氮热容的骤增，可以额外吸收大量的热量。因此，当固氮用于制冷超导磁体时，在工作温度低于35.6 K的工况下，固氮的奇异相变特性可以吸收更多的热量，抑制磁体温升，从而使得超导磁体具有更好的热稳定性。

固氮的获取一般有三种方法，分别是液氦传导法、真空减压法和制冷机传导法。其中，液氦传导冷却消耗的液氦量大、操作繁琐、成本高、且系统复杂；真空减压冷却的效率低、形成的固氮热阻高、降温温度有限；制冷机传导冷却无需液氦、成本低、操作方便、结构紧凑、能够长期运行，因为制冷机传导冷却是通过压缩机将氦气循环膨胀起来后带走制冷机冷头的热量，能够迅速降低冷头的温度，最低可达4.2 K，能够直接将液氮变为固氮。并且在撤去制冷机后，固氮热容大的特点仍然可以较好地维持温度，能够实现独立便携的功能。

固氮冷却的超导磁体具有突出的优点：1）固氮冷却的带持续电流开关的超导磁体可离开电源、冷源，做成轻便可携带式的超导磁体，在一定温度下工作数小时，实现独立便携的超导磁体系统；2）固氮可以吸收磁体发热而降低磁体温升，提高超导线圈的热容，从而提高固氮冷却的超导磁体系统的热稳定性；3）固化后的固氮与磁体形成一个整体，没有低温液体的自然液面，能提高超导磁体系统的机械强度。

固氮制冷超导磁体除作为一类强磁场产生装置在磁共振成像（MRI）、核磁共振（NMR）等系统中具有重要应用价值外，在超导磁悬浮、超导电机、超导轴承及飞轮储能等以力或力矩作为评价指标的系统中也具有重要的应用前景。针对这一类承力超导磁体，本发明公布一种承力超导磁体用固氮低温容器。

发明内容

本发明的目的是提供一种可与制冷机配合使用的固氮制取与储存低温容器，为承力超导磁体提供一个温度低于30 K的稳定低温环境，保证其良好的绝热性和保温性，并且使超导材料在低温容器中可以承受更大的电磁力。

本发明的技术路线如下：一种承力超导磁体用固氮低温容器，筒壁结构为双层跑道形或圆柱形或方形，内外筒设置有机械支撑，并形成真空夹层，该真空夹层内填充有防辐射材料与绝热材料，超导磁体骨架经螺栓与内筒壁连接固定。液氮进出管设置在外筒顶部，并与内筒连通；液氮进出管的进口管安装有截止阀，出口管安装有单向阀；用于常规电流引线与超导电流引线过渡降温的液氮盒设置在上述真空夹层内，液氮盒上的进口管与出口管呈螺旋状自下而上伸出筒壁外，进口管与出口管同样安装有截止阀与单向阀。下无磁金属传导块焊接在下过渡管的下部端口，下过渡管的上部端口焊接在下低温容器盖底中心孔处，且下低温容器盖经螺栓固定在内筒顶部开口处。制冷机上法兰焊接在上过渡管的上部端口，上过渡管焊接在上低温容器盖顶中心孔处，且上低温容器盖经螺栓固定在外筒顶部开口处。制冷机下法兰和上无磁金属传导块分别连接弹性波纹管上、下端口，制冷机机头经螺栓固定在上法兰上方。上、下无磁金属传导块在制冷机未冷却时呈分离状态，在制冷机冷却时经弹性伸展实现机械接触。

所述上无磁金属传导块的形状为倒置的圆台形，下无磁金属传导块的上部有凹陷部，该凹陷部的形状与上无磁金属传导块形状匹配。

所述外筒外侧有一向外凸起而形成真空夹层的外凸部，液氮盒设置在该真空夹层的外凸部内。

所述内筒与外筒之间的支撑具体有侧部支撑、上部支撑、底部支撑和内部支撑，用于向外传递超导磁体承受的电磁力，该内部支撑安装在内筒底部的固定座上。

所述支撑的材质为玻璃纤维增强塑料或其他机械强度适宜的隔热材料；所述内筒的固定座上焊接有不导磁圆柱形的螺杆，所述超导磁体骨架经螺母固定在不导磁圆柱形螺杆处，与内筒成为一个整体。

所述防辐射材料和隔热材料为铝箔纸和含碳玻璃纤维纸；所述上、下无磁金属传导块的材质为紫铜或其它属性接近材料，弹性波纹管的材质为顺磁性不锈钢。

所述防辐射材料和隔热材料中铝箔纸和含碳玻璃纤维纸逐次交替组成多层绝热结构。

所述液氮盒对应的外筒上安装有对真空夹层抽取真空的真空阀。

所述制冷机停止工作后，固氮低温容器的制冷机上法兰处还能够通过螺栓固定波纹管上顶盖，波纹管上顶盖处安装有真空阀，下表面固定有多层防辐射材料和隔热材料。

本发明具有以下特点和优点：

1、温度环境更低。由于采用G-M制冷机与固氮低温容器配合工作的方式，因此低温容器内部的液氮在制冷机冷头的制冷下会进一步形成温度更低的固氮，温度可达到30 K及以下。而传统的低温容器只能保存温度为77 K的液氮，因此不能如本发明一样为超导磁体提供更低的稳定工作温区。

2、承受的电磁力更大。由于本发明的固氮低温容器的底部较薄，固氮的奇异相变特性可以吸收更多的热量，抑制磁体温升，从而保持超导磁体更好的热稳定性，超导磁体的性能可以发挥的更为充分，因此能够产生更大的电磁力；且在固氮低温容器内外筒之间采用高强度的玻璃纤维增强塑料作为支撑，可以在保证容器不发生机械形变的情况下允许内置超导磁体向外输出吨级的电磁力。

3、绝热性和保温性更好。由于本发明采用真空隔热技术结合多层防辐射材料和多层隔热材料的方式，因此能够有效防止辐射传热、传导传热引起固氮温升。本发明采用弹性波纹管技术减少传导传热、采用导热系数低的玻璃纤维塑料作为支撑结构材料减少传导传热，减缓固氮消耗速度，延长超导磁体工作时间，避免容器外结霜。

4、制冷机可断开，系统质量更轻、空间需求更小。制冷机降温固氮完成后，可将其冷头从低温容器中拔出，弹性波纹管回缩，上、下无磁金属传导块呈分离状态，两者之间恢复为真空层，可实现制冷机脱机，从而使得固氮低温容器系统的质量轻、空间小。

5、适用范围更广。本发明不仅能提供固氮温区的工作环境也能提供液氮温区的工作环境，而传统的低温容器只能提供单一的液氮温区工作环境；在应用于超导磁悬浮、超导电机、超导轴承及飞轮储能等领域时，本发明由于等比缩放性好，在小尺寸应用场合也能发挥良好的实用性。

总之，本发明改变了传统金属低温容器采用单一的真空隔热或者多层绝热材料隔热作为主要保温技术的方法，使该低温容器配合制冷机能将液氮进一步冷却为固氮，提供低于30 K的更低温环境，为超导磁体提供发挥更佳性能的温区,并且该固氮低温容器的保温性能更优、低温稳定性更好，其其内筒底部与外筒底部的间隙较小，从而能够使超导磁体与外磁场作用产生更大的电磁力。

附图说明

图1是本发明的结构组成示意图；

图2是本发明的剖面示意图；

图3是本发明的弹性波纹管示意图；

图4是G-M制冷机冷头结合应用于本发明的弹性波纹管示意图；

图5是本发明的液氮盒示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以跑道形结构为例，结合附图和具体实施例对本发明进行详细阐述。

图1、图2、图3、图4和图5示出，一种承力超导磁体用固氮低温容器，跑道形内筒14设置在跑道形外筒15内，且二者之间设置有支撑4，并形成真空夹层，该真空夹层内充填有防辐射材料和隔热材料10，跑道形内筒14内壁上经螺栓固定有超导磁体骨架；液氮进出管6设置在跑道形外筒15顶面，且与跑道形内筒14连通，液氮进出管6的进口管安装有截止阀，液氮进出管的出口管安装有单向阀；液氮盒11设置在上述真空夹层内，液氮盒11上的液氮进口管和液氮出口管6a从下向上伸出跑道形外筒15之外，该液氮进口管安装有截止阀，该液氮出口管安装有单向阀；下过渡管27焊接在下低温容器盖17底面的中心孔处，下无磁金属传导块18焊接在下过渡管27的下部端口，下低温容器盖17经螺栓固定在跑道形内筒14顶部的开口处，上过渡管26焊接在上低温容器盖16顶面的中心孔处，制冷机上法兰24焊接在上过渡管26的上部端口，弹性波纹管7上、下端分别焊接制冷机下法兰25和上无磁金属传导块18，制冷机下法兰25经螺栓固定在制冷机上法兰24下方，制冷机机头1经螺栓固定在制冷机上法兰24上方；上低温容器盖16经螺栓固定在跑道形外筒15顶部的开口处；上、下无磁金属传导块18、19在制冷机未冷却时呈分离状态，在制冷机冷却时经弹性形变实现机械接触。

上无磁金属传导块18的形状为倒置的圆台形，下无磁金属传导块19的上部有凹陷部，该凹陷部的形状与上无磁金属传导块18形状匹配。

跑道形外筒15顶面有向外凸起而形成真空夹层的外凸部，液氮盒11设置在该真空夹层的外凸部内。

一种承力超导磁体用固氮低温容器，包括制冷机冷头1，低温容器盖2，容器器身3，支撑4，超导磁体紧固装置5，液氮进出管6，弹性波纹管7，过渡管8，无磁金属传导块9，防辐射材料和隔热材料10，液氮盒11，波纹管上顶盖12，制冷机法兰13，容器器身包括跑道形内筒14和跑道形外筒15；无磁金属传导块9分为上无磁金属传导块18和下无磁金属传导块19；制冷机法兰13包括制冷机上法兰24和制冷机下法兰25；过渡管8分为上过渡管26和下过渡管27；弹性波纹管7与制冷机下法兰25和上无磁金属传导块18焊接形成一个圆柱形空腔，制冷机冷头1通过空腔的上无磁金属传导块18与下无磁金属传导块19接触对液氮进行降温固化；支撑4分为侧部支撑20、上部支撑21、底部支撑22和内部支撑23，侧部支撑20、上部支撑21和底部支撑22安装在跑道形内筒14和跑道形外筒15形成的真空夹层之间，内部支撑23安装在低温容器内筒底部的固定座上；低温容器盖2分为下低温容器盖17和上低温容器盖16，将下低温容器盖17与下过渡管27和无磁金属传导块19焊接成一个整体后与跑道形内筒14用螺栓连接在一起，上低温容器盖16与上过渡管26和制冷机上法兰24焊接后再通过螺栓与跑道形外筒15相连成一个整体，从而使得两个整体构成一个真空夹层；液氮进出管6设置在跑道形内筒14和跑道形外筒15之间，且液氮进口的位置安有截止阀门，液氮出口的位置安有单向阀门；超导磁体紧固装置5通过螺栓固定的方式将超导磁体骨架和跑道形内筒14连接在一起；防辐射材料和隔热材料10放置在真空夹层中；液氮盒11安装在低温容器的外筒和真空夹层之间，液氮盒11上表面安有液氮进口管和出口管6a，并且在液氮进口的位置安有截止阀门，液氮出口的位置安有单向阀；波纹管上顶盖12通过螺栓固定的方式与弹性波纹管7固定在一起，波纹管上顶盖12上表面安装有真空阀，下表面安装有多层防辐射材料和隔热材料。弹性波纹管7采用顺磁性不锈钢。

弹性波纹管7与上低温容器盖16和上无磁金属传导块18焊接成为一体，并单独形成弹性圆柱形腔体，圆形腔体可抽成真空从而降低外界热辐射传热。

下过渡管27与下低温容器盖17和下无磁金属传导块19焊接成为一体。

制冷机冷头1在降温冷却工作时，将与圆柱形腔体里的上无磁金属传导块18接触，使得弹性波纹管7伸展，从而使上无磁金属传导块18与下无磁金属传导块19接触，制冷机冷头1通过传导冷却的方式将冷量传递至无磁金属传导块，从而对内筒的液氮进行冷却降温成为固氮。固氮在低温下的热容相对于液氮更大，因此能够给超导磁体提供更好的稳定性。当制冷机冷头1完成工作时，能够将其拔出，弹性波纹管7向上收缩使得上无磁金属传导块18和下无磁金属传导块19分离，两者之间恢复为真空夹层。

当低温容器内的液氮全部转换成固氮时，即可拔出制冷机冷头1。在拔出制冷机冷头1之后，弹性波纹管7就会自动向上收缩，使得上无磁金属传导块18与下无磁金属传导块19分离，恢复两者之间的真空层，阻断外界的传导传热，提高容器对固氮的保温效果。所述波纹管上顶盖12上表面的真空阀门能够对圆柱形空腔进行抽真空，减少辐射传热对低温容器内部固氮的影响。下表面安装有多层防辐射材料和隔热材料10，防辐射材料和隔热材料能够隔绝大气中的热进入到圆柱形空腔内起到隔热保温的作用，减弱圆柱形空腔对低温容器内的固氮的影响。

上低温容器盖16通过螺栓与跑道形外筒15相连成为一个整体，下低温容器盖17通过螺栓与跑道形内筒14相连成一个整体，从而使两个整体形成一个高真空夹层，增强低温容器的保温效果，延长固氮存储时间。

跑道形内筒14与跑道形外筒15之间的支撑4具体有侧部支撑20、上部支撑21、底部支撑22和内部支撑23，内部支撑23安装在跑道形内筒14底部的固定座上。内部支撑4采用玻璃纤维增强塑料，对跑道形外筒15和跑道形内筒14起到支撑传力作用，防止抽空真空夹层时引起内外筒变形，并传递超导磁体与外磁场之间的电磁力至与跑道形外筒15相连的负载。

液氮进出管6开设于跑道形内筒14顶部与跑道形外筒15顶部之间且与内筒连通，液氮进口安有截止阀门，截止阀门能够防止大气中的水蒸气进入低温容器中，并且液氮进口能够弥补制冷机冷头1工作过程中因液氮挥发引起的不足。液氮出口安有单向阀门，单向阀门能够使得低温容器中的固氮挥发成氮气后及时排除低温容器，同时能够保证跑道形内筒14与外界大气压一致，不会因液氮或者固氮挥发成氮气引起跑道形内筒14的压强增大而爆炸。

超导磁体紧固装置5通过螺栓紧固的方式将超导磁体骨架和跑道形内筒14连接起来，超导磁体在固氮温区产生力之后，能够通过跑道形内筒14和跑道形内部支撑4将力传递到跑道形外筒15。

防辐射材料和隔热材料10放置在真空夹层内，防辐射材料选用铝箔纸或其它防辐射性质近似材料，隔热材料选用含碳玻璃纤维纸或其它隔热性质近似材料，铝箔纸之间用含碳玻璃纤维纸隔开，采用传统纺织工业中的多层编织方法，将防辐射材料和隔热材料混编为多层绝热层，以提高绝热效果。在防辐射材料和隔热材料的覆裹过程中，不能使材料与低温容器的内外壁同时接触，防止防辐射材料和隔热材料通过传导传热的方式将大气中的热导入低温容器中，降低容器的保温效果。

液氮盒11上表面安有液氮进口管和出口管6a以及电流引线，在液氮进口管的位置安有截止阀门，截止阀门能够防止外界的水蒸气进入液氮盒形成冰；液氮出口管的位置安有单向阀门，单向阀门能够使液氮盒中的液氮挥发成氮气后及时排出液氮盒外，保持低温容器内外压强相等，防止液氮盒爆裂，并且能够通过液氮进液口向液氮盒11补充液氮。

所述液氮盒11包含内外两层，内外层之间为真空夹层，液氮盒11的真空夹层与固氮低温容器的真空夹层连为一体。液氮盒外层与跑道形外筒15焊接在一起，液氮盒内层处于跑道形内筒14和跑道形外筒15之间。液氮盒外层侧壁安有真空阀，可对整个固氮低温容器进行抽真空，从而增强低温容器的保温性能。

所述液氮盒11中的液氮能够用来冷却常规电流引线和超导电流引线之间的接头产生的焦耳热，并且液氮盒11的液氮还能够起到一个过渡作用防止接头产生的焦耳热通过传导传热的方式经过超导电流引线使固氮融化，并且在液氮盒11顶部增加了液氮进出管，能够随时补充液氮和泄放氮气。

所述低温容器盖2，用于延长保温时间。其中的下低温容器盖17与下过渡管27和下无磁金属传导块18焊接成一个整体后与跑道形内筒14用螺栓连接成一体，上低温容器盖16与上过渡管26和制冷机上法兰24焊接后与跑道形外筒15相连成一个整体，从而使得两个整体构成一个真空夹层。

所述侧部支撑20通过侧部支撑座固定在内外筒的侧壁之间，上部支撑21通过上部支撑座固定在内外筒的上板之间，减小容器底部壁厚，底部支撑22通过底部支撑座固定在内外筒的底板之间，内部支撑23固定在低温容器底部的固定座上，底部支撑21通过底部支撑座固定在内外筒的底板之间。

在低温容器上部安装有液氮进出管6，液氮进口处安装截止阀门，防止水蒸气侵入低温容器在进口通道内形成冰块，阻碍液氮补充，液氮出口处安装单向阀门，及时排出容器内固/液氮挥发形成的氮气，并保证跑道形内筒14与外界大气压一致，不会因固/液氮挥发成氮气引起跑道形内筒14的增压而爆裂。

Claims (10)

1.一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征在于，内筒(14)设置在外筒(15)内，且二者之间设置有支撑(4)，并形成真空夹层，该真空夹层内充填有防辐射材料和隔热材料(10)，内筒(14)内壁上经螺栓固定有超导磁体骨架；液氮进出管(6)设置在外筒(15)顶面，且与内筒(14)连通，液氮进出管(6)的进口管上安装有截止阀，液氮进出管的出口管上安装有单向阀；液氮盒(11)设置在上述真空夹层内，液氮盒(11)上的液氮进口管和液氮出口管(6a)从外筒(15)顶部由上向下伸进液氮盒(11)内部，该液氮进口管上安装有截止阀，该液氮出口管上安装有单向阀；下过渡管(27)焊接在下低温容器盖(17)底面的中心孔上，下无磁金属传导块(18)焊接在下过渡管(27)的下部端口上，下低温容器盖(17)经螺栓固定在内筒(14)顶部的开口上，上过渡管(26)焊接在上低温容器盖(16)顶面的中心孔上，制冷机上法兰(24)焊接在上过渡管(26)的上部端口上，弹性波纹管(7)上、下端分别焊接制冷机下法兰(25)和上无磁金属传导块(18)，制冷机下法兰(25)经螺栓固定在制冷机上法兰(24)下方，制冷机冷头(1)经螺栓固定在制冷机上法兰(24)上方；上低温容器盖(16)经螺栓固定在外筒(15)顶部的开口上；上、下无磁金属传导块(18)、(19)在制冷机冷头(1)未固定在制冷机上法兰(24)时呈分离状态，固定在制冷机上法兰(24)时呈接触状态。

2.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述上无磁金属传导块(18)的形状为倒置的圆台形，下无磁金属传导块(19)的上部有凹陷部，该凹陷部的形状与上无磁金属传导块(18)形状匹配，使得上、下无磁金属传导块能密切咬合。

3.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述外筒(15)外侧有一向外凸起而形成真空夹层的外凸部，液氮盒(11)设置在该真空夹层的外凸部内。

4.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述内筒(14)与外筒(15)之间的支撑(4)具体有侧部支撑(20)、上部支撑(21)、底部支撑(22)和内部支撑(23)；侧部支撑(20)安装在内外筒之间的侧壁支撑座上，上部支撑(21)安装在内外筒之间的上部支撑座上，底部支撑(22)安装在内外筒之间的底部支撑座上，内部支撑(23)安装在内筒(14)底部的固定座上。

5.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述支撑(4)的材质为玻璃纤维增强塑料；所述内筒(14)的固定座上焊接有不导磁圆柱形螺杆。

6.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述防辐射材料和隔热材料(10)为铝箔纸和含碳玻璃纤维纸；所述上、下无磁金属传导块(18)、(19)的材质为紫铜，弹性波纹管(7)的材质为顺磁性不锈钢。

7.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述防辐射材料和隔热材料(10)中铝箔纸和含碳玻璃纤维纸逐次交错编织组成多层绝热层。

8.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述液氮盒(11)对应的外筒(15)上安装有真空阀。

9.根据权利要求1所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，所述内筒(14)和外筒(15)的形状可为跑道形、圆柱形或方形。

10.根据权利要求1～9任一权利要求所述的一种承力超导磁体用固氮低温容器，其特征是，还具有制冷机停止工作后，低温容器的制冷机上法兰(24)还能够通过螺栓固定波纹管上顶盖(12)，波纹管上顶盖(12)安装有真空阀，下表面固定有多层防辐射材料和隔热材料(10)。

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