CN109300646B - 用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体，用于超导磁体的线圈结构，包括线圈，还设有与所述线圈热耦合的传热管。本发明采用传热管与线圈进行换热的方式，即保证换热效果，又可以降低制冷剂的损耗。

Description

用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体。

背景技术

传统的超导磁体中一般包括低温保持器以及安装在低温保持器内的线圈结构，低温保持器包括内容器、外容器等，而内容器包括外筒1、内筒2以及连接在两者轴向两侧之间的封头3a和封头3b；外筒1、内筒2以及两封头之间形成环筒状的容纳腔。

在容纳腔中，内线圈架4环布在内筒2外壁，外线圈架5环布在外筒1的内壁，内线圈架4、外线圈架5与容纳腔同轴线布置，内线圈架4和外线圈架5上分别设置有线槽，内线圈6和外线圈7分别缠绕或装配在内、外线圈架的线槽内。

由于液氦价格昂贵，且资源匮乏，如何减少液氦的用量同时保证超导磁体的热稳定性是先进超导磁体设计的难题。现有技术通常采用占位的方式提高液面高度，但这种方法同时也会减少低温保持器中的液氦容积，使得超导磁体“冷”运输的时间减少，即超导磁体运输至较远的场地时，液氦会全部消耗完，导致超导磁体升温至较高温度，需要重新对超导磁体进行预冷，代价非常昂贵。

另外一些超导磁体则采用制冷机直接冷却或者管路冷却的方案，这些方案往往需要非常复杂的结构，成本较高，且由于线圈的热接触面积有限，制冷效果不佳。

发明内容

基于此，有必要针对保证冷却效果以及减少制冷剂损耗的问题，提供一种用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体。

一种用于超导磁体的线圈结构，包括线圈，还设有与所述线圈热耦合的传热管。

上述总体方案中，所述传热管的内部作为传输制冷剂的传输通道，采用传热管与线圈进行换热的方式，即保证换热效果，又可以降低制冷剂的损耗。

下文还提供了若干进一步的可选方案，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方案可单独与上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方案与上述总体方案进行组合。

可选的，所述传热管布置在所述线圈的至少一部分周向区域。

可选的，所述传热管与所述线圈的热耦合部位相互固定。

可选的，所述传热管与所述线圈的热耦合部位粘结固定。

可选的，所述传热管与所述线圈的热耦合部位相互贴靠或间隔布置。

可选的，所述传热管为一根或多根并联。

可选的，所述传热管绕置为一匝或多匝；每一匝与所述线圈具有相同的延伸方向；或每一匝以所述线圈为芯，采用螺旋方式绕置在线圈外周。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管为一根或多根，至少一所述传热管与所述线圈外侧面之间为间隔布置。

可选的，各所述传热管与所述线圈外侧面之间均为间隔布置。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管为至少两根，至少两根所述传热管之间为间隔布置。

可选的，各所述传热管之间均为间隔布置。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管为至少两根，沿所述线圈周向布置。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管规则或不规则分布。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管相对于所述线圈的外侧面由近及远布置一层或间隔布置多层。

可选的，相邻层的所述传热管交错布置。

可选的，所述线圈的外周布置有导热层，所述传热管位于所述导热层内与所述线圈热耦合。

可选的，所述导热层还包括填充在所述传热管与所述线圈之间的导热材料。

可选的，所述导热材料为固态，兼做粘结剂或固定连接件。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述导热层至少布置在所述线圈的一个侧面。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述导热层至少将相应位置的所述线圈半包围。

可选的，在所述线圈结构的横截面内，所述导热层将相应位置的所述线圈全包围。

可选的，在所述线圈的延伸方向上，所述导热层连续或间隔布置。

可选的，所述导热层将所述线圈通体包裹。

可选的，所述导热层为一体成型或分体装配。

可选的，所述传热管还具有延伸出导热层的制冷剂接口。

本发明还提供一种超导磁体，包括低温保持器以及安装在所述低温保持器内的线圈架，所述线圈架上设置有线槽，所述线槽内设置有线圈结构，所述线圈结构包括线圈以及与所述线圈热耦合的传热管。

所述线圈结构可采用上述各方案中的线圈结构。

可选的，所述线槽内，在所述线圈的至少一部分外周布置有导热层，所述传热管位于所述导热层内与所述线圈的热耦合。

可选的，所述导热层与所述线槽的内壁之间设有绝缘层。

可选的，所述低温保持器包括外筒、内筒以及连接在两者轴向两侧之间的封头，外筒、内筒以及两封头之间形成环筒状的容纳腔；所述线圈结构处在容纳腔内，各所述线圈结构中的所述传热管相互串联或并联。

可选的，所述线圈包括布置在内筒外壁的内线圈组，以及布置在外筒内壁的外线圈组，同组之间的至少两线圈之间，或异组之间的至少两线圈之间，与各所述线圈热耦合的所述传热管相互连通。

可选的，同组之间所有的所述线圈之间，与各所述线圈热耦合的所述传热管相互连通。

可选的，所有的所述线圈之间，与各所述线圈热耦合的所述传热管相互连通。

可选的，与不同的所述线圈之间热耦合的所述传热管之间，采用串联或并联的方式连通。

可选的，在所述容纳腔内还配置有制冷剂储液腔和驱动机构，所述传热管与所述制冷剂储液腔连通形成制冷剂回路并通过所述驱动机构驱使制冷剂在所述制冷剂回路中循环。

可选的，在所述容纳腔内还配置有制冷剂冷凝腔，所述制冷剂冷凝腔与所述制冷剂储液腔相互连通，所述低温保持器的外部设有制冷机，所述制冷机的制冷极可冷凝所述制冷剂。

本发明采用在线圈外部设置传热管，可保证制冷效果又可降低制冷剂的损耗。

附图说明

图1为常规超导磁体中，低温保持器以及部分内部构件的结构示意图；

图2为线圈结构的截面示意图；

图3为超导磁体的截面示意图；

图4为制冷剂回路驱动循环方式的原理示意图；

图5为制冷剂回路另一驱动循环方式的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

参见图2，本实施例一种用于超导磁体的线圈结构，使用状态下线圈12处于线圈架5的线槽11中，还设有与线圈12热耦合的传热管21。

就线圈12本身而言，其结构可采用常规技术，截面形状大致为矩形、椭圆形等，并没有严格限制，为了实现换热，传热管21布置在线圈12的至少一部分外周区域，即传热管21至少可以与线圈12的一部分外周区域换热。

为了保持结构的稳定，传热管21与线圈12的热耦合部位相互固定，例如采用连接件、填充物、或粘结等方式相互固定，在优选的实施方式中，传热管21与线圈12的热耦合部位粘结固定。

在可选的实施方式中，传热管21与线圈12的热耦合部位相互贴靠或间隔布置。相互贴靠更加便于热交换，而间隔布置的方式则有利于加工，间隔布置时，为了保证换热效果，可以在间隔部位填充导热材料。

图2中，线圈12截面以矩形为例，在线圈12至少一个外侧面上，布置有传热管21，图中在矩形四周均布置有传热管21。

传热管21优选为导热率较高的金属管(如铜管)，或其他复合材料导管；线圈12外周的传热管21为一根或多根并联。

在可选的实施方式中，传热管21绕置为一匝或多匝；每一匝与线圈12具有相同的延伸方向，即连续环向缠绕在线圈架5上；在另一实施方式中，还可以是每一匝以线圈12为芯，采用螺旋方式绕置在线圈12外周。

图2中示意了每一匝传热管21与线圈12具有相同的延伸方向，各匝传热管21排布在线圈12外周。

传热管21截面形状优选但不限于圆形或矩形等，其截面尺寸应尽量小，以便于缠绕。

在可选的实施方式中，在线圈结构的横截面内，传热管21与线圈12之间，以及多根传热管21之间可以采用多种间隔方式，例如至少一传热管21与线圈12外侧面之间为间隔布置，或各传热管21与线圈12外侧面之间均为间隔布置；至少两根传热管21之间为间隔布置，或各传热管12之间均为间隔布置。

在可选的实施方式中，在线圈结构的横截面内，传热管21相对于线圈12的外侧面由近及远布置一层或间隔布置多层，图2中以一层为例，多根传热管21沿线圈12周向布置。在一层或间隔布置的多层中，传热管21规则或不规则分布。

在优选的实施方式中，若采用多层布置，则相邻层的传热管21交错布置，即相对于线圈12的外侧面由近及远的方向上相邻层的传热管21并非相互对正，这样可以减少层间距，布置数量更多的传热管21，提高换热效果。

在可选的实施方式中，线圈12的至少一部分外周布置有导热层13，传热管21位于导热层13内与线圈12热耦合。导热层13还包括填充在传热管21与线圈12之间的导热材料22，导热材料22充满在线槽11中。

导热层13可有效地屏蔽外部环境对线圈的热辐射，从而进一步降低线圈的温度梯度。

在优选的实施方式中导热材料22为固态，兼做粘结剂或固定连接件，将传热管21、线圈12保持固定在线槽11内。

导热材料22可采用粘结剂固化而成，粘结剂种类没有严格限制，优选具有一定的导热性能，例如环氧树脂等，导热材料22将传热管21与线圈12之间粘结为一体。

在可选的实施方式中，使用状态下，导热层13与线槽11的内壁之间可设有绝缘层23。可以只其中一侧的线槽内壁处设置绝缘层23，也可以在所有线槽内壁处均设置绝缘层23。

在可选的实施方式中，在线圈结构的横截面内，导热层13至少将相应位置的线圈12半包围。在优选的实施方式中，例如图1中导热层13将相应位置的线圈12全包围，可进一步提高换热效果。

在可选的实施方式中，在线圈12的延伸方向上，导热层13连续或间隔布置，在优选的实施方式中，导热层13将线圈12通体包裹。在可选的实施方式中，导热层为一体成型或分体装配，例如远离相应线槽架的部分可预先成型再通过后装配的方式安装。

为了与外部的制冷剂管路连通，传热管21还具有延伸出导热层13的制冷剂接口，例如图1中传热管21的两端头延伸出线槽11，形成进液口31和出液口32，可以向传热管21内持续通入制冷剂，可保持超导线圈的低温。

本实施例还提供了上述线圈结构的制作方法，包括在线圈架上加工线槽，然后布置传热管21以及绝缘层23，通常是将传热管连续环向缠绕在线槽内，然后对此线圈架进行整体灌胶或涂胶；待胶固化完成后，在此灌胶结构上再次加工线槽；而后再绕制线圈12；最后再进行整体灌胶封闭，得到上述线圈结构。

在另一实施方式中，不同的制作方法是，将上述传热管21布置在环向模具上，同样进行灌胶、加工和绕线圈12，后再次灌胶，脱模后可得到上述线圈结构。

结合图3，本实施例中提供一种超导磁体，包括低温保持器，低温保持器中的内容器包括外筒1、内筒2以及连接在两者轴向两侧之间的封头3a和封头3b；外筒1、内筒2以及两封头之间形成环筒状的容纳腔。可选地，外筒或内筒可包括双层或者更多层。

在容纳腔中，内线圈架环布在内筒2外壁，外线圈架环布在外筒1的内壁，内线圈架、外线圈架与容纳腔同轴线布置，内线圈架和外线圈架上分别设置有线槽，内线圈和外线圈分别缠绕或装配在内、外线圈架的线槽内。各线圈架的材料可选为铝合金、不锈钢和纤维增强材料等，优选为导热好的铝合金，能提高传热效率。

例如图3其中一处的外线圈中，采用了上述实施例中的线圈结构，即包括线圈12以及与线圈21热耦合的传热管。

本实施例中超导磁体采用的线圈结构可以结合以上各实施方式中的线圈结构。

与线槽内的线圈热耦合的传热管可以采用多种方式相互连通形成制冷剂回路，在可选的实施方式中，线圈包括布置在内筒外壁的内线圈组，以及布置在外筒内壁的外线圈组，同组之间的至少两线圈之间，或异组之间的至少两线圈之间，与各线圈热耦合的传热管相互连通。

例如与两外线圈热耦合的传热管相互连通，或与外线圈热耦合的一传热管连通与内线圈热耦合的一传热管。

在可选的实施方式中，同组之间所有的线圈之间，与各线圈热耦合的传热管相互连通。例如与各外线圈热耦合的传热管相互连通，具体可以采用串联或并联的方式。

在优选的实施方式中，例如图3，所有的线圈之间，与各线圈热耦合的传热管相互串联。

在优选的实施方式中，例如图3，在容纳腔内还配置有制冷剂冷凝腔41和制冷剂储液腔42，制冷剂冷凝腔41和制冷剂储液腔42之间通过阀门43连通，制冷剂储液腔42处在制冷剂冷凝腔41下方，低温保持器的外部设有制冷机10，制冷机10的二级制冷极可冷凝所述制冷剂。

所有传热管串联后形成进液口45和出液口46，出液口46接入制冷剂冷凝腔41入口，进液口45与制冷剂储液腔42出口连通，整体上形成制冷剂回路构成封闭冷却系统。在容纳腔内还配置有驱动机构44，可控制改变制冷剂储液腔42的体积，以促使制冷剂在封闭冷却系统中循环流动。

结合图4，在可选的实施方式中，驱动装置44可由气动或电动驱动，具体包含活塞51，弹性恢复件52和加热器53；恢复件52可以是弹簧等，保持活塞51在初始位置；驱动装置44由活塞51密封有一定量的气体或液体介质，如氦气，如启动加热器53对该气体进行加热，气体膨胀，将克服弹性恢复件52的拉力，推动活塞51向图中的左侧滑动，从而改变制冷剂储液腔42的体积，并推动制冷剂储液腔42内的制冷剂通过进液口45向制冷剂回路中的传热管内流动。

结合图2、3、4，本实施例超导磁体制冷时，封闭冷却系统中会预先灌注一定量的制冷剂(例如液氦，但不限于液氦)，其液位高度一般不高于回液口46的高度；阀门43和驱动机构44可由外部信号控制，或者是已设定阀值的自动设置，并驱动上述封闭冷却系统按下列工序工作：

(1)打开控制阀门43，制冷剂冷凝腔41和制冷剂储液腔42连通，液体制冷剂全部流入制冷剂储液腔42；

(2)关闭阀门43；同时启动驱动机构44的加热器53，活塞51开始运动并改变制冷剂储液腔42的体积，即将制冷剂储液腔42内的液氦从进液口45推入到与线圈热耦合的传热管中，从而冷却线圈，直至制冷剂从回液口46流回冷凝腔；

(3)制冷机10持续工作，制冷剂冷凝腔41内的气体在不断冷凝，压力降低，形成负压，这将助力活塞51的运动，加快液体制冷剂的回流；等待一定的时间，制冷剂冷凝腔41内的液面达到一定的高度，重新开启阀门43，进入下一个循环。

本实施例的超导磁体中，所有线圈的四周面上设置导热层，通过传热管形成上述封闭冷却系统并与线圈进行换热，一般情况下仅需要填充50升左右的液氦，即可实现对线圈的充分冷却，相比常规超导磁体可节省约90％的液氦。

另外超导磁体失超时，封闭冷却系统内的液氦将全部气化，管路内的压力将上升，故封闭冷却系统中的管路和腔体需能承受一定的压力，一般不超过1MPa即可。

参见图4，在优选的实施方式中，在制冷剂冷凝腔41内设置液面监控传感器47；为了保证制冷剂在封闭冷却系统中的流动。

在可选的实施方式中，与各线圈热耦合的传热管可以形成一个或多个回路，仅不局限于相互串联，也可以并联；并联时则制冷剂储液腔42布置多个进液口45，制冷剂冷凝腔41布置多个出液口46，制冷剂的循环速度可由阀门43、加热器53以及制冷机10的功率来联动控制和调节。

在优选的实施方式中，在超导磁体预冷时，可向制冷剂回路中通入液氮或冷氦气，可显著加快冷却时间。

参见图5，在另一实施方式中，制冷机10连接的制冷剂冷凝腔41非密闭腔体，即其与低温保持器的容纳腔相互连通。该结构的制冷剂循环过程同图4，不同之处在于，当制冷剂冷凝腔41中的液氦达到最高液面后，液氦即开始溢入低温保持器的容纳腔中。此时，只需要向低温保持器的容纳腔中额外填充少量液氦，如相比常规超导磁体20％的液位高度，“浸没”线圈底部；在这种低液面下，制冷剂回路中的液氦将进一步冷却线圈四周，大大降低保证线圈上部和下部的温度梯度，保持线圈的热稳定性。此方案仅需常规超导磁体30％的制冷剂液位高度，即可节省约60％的液氦充装量。

同时，依然可保证容纳腔中低温制冷剂的容积，在长途运输时，可以充装较大量的低温制冷剂，适用于远程长途运输。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种超导磁体，包括低温保持器以及安装在所述低温保持器内的线圈架，所述线圈架上设置有线槽，所述线槽内设置有线圈结构，其特征在于，所述线圈结构包括线圈以及与所述线圈热耦合的传热管；

所述低温保持器内配置有制冷剂冷凝腔、制冷剂储液腔以及驱动机构，制冷剂凝腔和制冷剂储液腔之间通过阀门连通；所述传热管串联后形成进液口和出液口，出液口接入制冷剂冷凝腔入口，进液口与制冷剂储液腔出口连通，并形成制冷剂回路构成封闭冷却系统；

所述低温保持器的外部设有制冷机，所述驱动机构包括活塞；

在所述制冷机工作的状态下，所述制冷剂冷凝腔内形成负压并助力所述活塞运动，以改变所述制冷剂储液腔的体积并加速制冷剂在所述封闭冷却系统中流动。

2.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述低温保持器包括外筒、内筒以及连接在两者轴向两侧之间的封头，外筒、内筒以及两封头之间形成环筒状的容纳腔；所述线圈结构处在容纳腔内，所述制冷剂冷凝腔、所述制冷剂储液腔与所述驱动机构配置于所述容纳腔内。

3.如权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述低温保持器的外部设有制冷机，所述制冷机的制冷极可冷凝所述制冷剂。

4.如权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述传热管与所述线圈的热耦合部位粘接固定。

5.根据权利要求4所述的超导磁体，其特征在于，所述传热管绕置为一匝或多匝；每一匝与所述线圈具有相同的延伸方向；或每一匝以所述线圈为芯，采用螺旋方式绕置在线圈周向。

6.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述线圈的外周布置有导热层，所述传热管位于所述导热层内与所述线圈热耦合。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，在所述线圈结构的横截面内，所述导热层至少布置在所述线圈的一个侧面。

8.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，在所述线圈结构的横截面内，所述传热管为至少两根，沿所述线圈周向布置。

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