CN113035486B - 低温超导磁体的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电力应用技术领域，公开了一种低温超导磁体的制冷系统。该制冷系统包括冷屏、引线冷却通道、冷屏冷却通道、第一液氦输入口、第一氦气输出口、氦槽、液氦输入管和氦气输出管，冷屏设置在低温超导线圈外，氦槽设置在冷屏和低温超导线圈之间且与二者均不接触，液氦输入管和氦气输出管均与氦槽连接，从第一液氦输入口经液氦输入管向氦槽注入液氦，从氦槽挥发的氦气经氦气输出管从第一氦气输出口输出，引线冷却通道连接在氦气输出管与超导电流引线之间，用于导冷以对超导电流引线进行冷却，冷屏冷却通道连接在氦气输出管与冷屏之间，用于导冷以对冷屏进行冷却。由此，可以有效地减小液氦的挥发，降低低温超导磁体失超的风险。

Description

低温超导磁体的制冷系统

技术领域

本发明涉及超导电力应用技术领域，尤其涉及一种低温超导磁体的制冷系统。

背景技术

超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和损耗低等诸多优点，常常应用于超导电力应用中，如医用核磁共振系统和超导直线电机等。超导磁体按照不同原材料可分为高温超导磁体和低温超导磁体，高温超导磁体一般由YBCO、GdBCO等超导带材绕制而成，且一般工作在液氮温区，即77K，在特殊应用场合中，为了进一步提高高温超导材料的载流能力，也可工作在液氦温区，即4.2K；低温超导磁体一般由NbTi、Nb3Sn等超导线材绕制而成，一般工作在液氦温区。高温超导带材的临界温度大都在100K以上，在液氮温区下的温度裕度较大，一般不容易失超，而NbTi低温超导磁体和Nb3Sn低温超导磁体的临界温度仅仅为9K和18K，在液氦温区下，温度裕度小，相对于高温超导带材更容易失超。所以在低温超导磁体运行过程中，一旦液氦快速挥发后，低温超导线圈表面温度高于临界温度会导致失超。

众所周知，液氮的蒸发潜热为160.6kJ/L，液氦的蒸发潜热为2.6kJ/L，也就是说，1L的液氮和液氦挥发分别会带走160.6kJ和2.6kJ的热量，由此可知液氦对热量更为敏感，较小的热量会造成大量的液氦挥发，甚至超导磁体内部存不住液氦，最终导致超导磁体发生失超。此外，对于低温超导磁体制冷而言，一般首先进行液氮预冷，将超导线圈温度冷却至77K，再利用液氦将温度冷却至4.2K。但经过无数实验证明，由于液氦的蒸发潜热极低，在稍高温度下极容易挥发，仅仅依靠液氦将超导线圈从77K冷却至4.2K会浪费大量液氦，一般而言容积为20L的液氦杜瓦，在结构紧凑的超导磁体结构中，需要200L的液氦冷却。而液氦价格昂贵，若采用此方案进行冷却，会造成大量浪费，经济性低。

在超高速(600km/h以上)和高过载(超导磁体加速度30g以上)环境下，制冷机不能随着超导磁体运动，因此在此环境下的低温超导磁体一般只能采用液氦浸泡式制冷方法，不能采用传统的制冷机传导冷却制式。目前常用的浸泡式低温超导磁体制冷制式主要有(1)如上所述，先用液氮制冷至77K，再由液氦直接制冷至4.2K；(2)先用液氮制冷至77K，再由制冷机二级冷头将超导线圈和冷屏等结构冷却至20-30K，最后由液氦制冷至4.2K，最后将制冷机从低温超导磁体移除。

现有的浸泡式低温超导磁体制冷制式比较常规，目前大部分低温超导磁体均采用此方案。若采用第一种方案，如上所述，会在77K冷却至4.2K时会造成大量的液氦浪费，经济性较差；若采用第二种方案，相对于第一种方案液氦消耗较少，但是在超导磁体中，冷屏的热辐射和电流引线等部件是漏热的主要来源之一，尽管在低温超导磁体制冷过程中能有效地减少液氦，但由于超导磁体在超高速和高过载环境下不能携带制冷机，因此在超导磁体运行过程中，冷屏和电流引线等部件没有主动制冷装置，由于系统漏热过大会使液氦挥发过快，若不妥善解决此问题，可能会导致超导磁体失超。第二种方案的另外一个缺点是制冷机的冷头拆卸难度较大，可操作性和可维修性较低。

发明内容

本发明提供了一种低温超导磁体的制冷系统，能够解决现有技术中的技术问题。

本发明提供了一种低温超导磁体的制冷系统，所述低温超导磁体包括低温超导线圈、可插拔电流引线、超导磁体外壳和超导电流引线，所述可插拔电力引线通过所述超导电流引线与所述低温超导线圈连接，所述超导磁体外壳用于维持低温超导磁体内部所需的真空状态，其特征在于，该制冷系统包括冷屏、引线冷却通道、冷屏冷却通道、第一液氦输入口、第一氦气输出口、氦槽、液氦输入管和氦气输出管，所述冷屏设置在所述低温超导线圈外，所述氦槽设置在所述冷屏和所述低温超导线圈之间且与二者均不接触，所述液氦输入管和所述氦气输出管均与所述氦槽连接，从所述第一液氦输入口经所述液氦输入管向所述氦槽注入液氦，从所述氦槽挥发的氦气经所述氦气输出管从所述第一氦气输出口输出，所述引线冷却通道连接在氦气输出管与所述超导电流引线之间，用于导冷以对所述超导电流引线进行冷却，所述冷屏冷却通道连接在氦气输出管与所述冷屏之间，用于导冷以对所述冷屏进行冷却。

优选地，该系统还包括液氦储存罐、一级冷头、二级冷头、制冷机、第一一级冷头冷却部件和二级冷头冷却部件，所述液氦储存罐具有第二液氦输入口和第二氦气输出口且用于存放液氦，所述第一液氦输入口和所述第一氦气输出口与所述液氦储存罐连接,所述一级冷头和所述二级冷头设置在所述液氦储存罐中且与所述制冷机连接，所述第一一级冷头冷却部件连接在所述一级冷头和所述冷屏之间，所述二级冷头冷却部件连接在所述二级冷头和所述超导电流引线之间，所述一级冷头通过所述第一一级冷头冷却部件导冷对所述冷屏进行冷却，所述二级冷头通过所述二级冷头冷却部件导冷对所述超导电流引线进行冷却。

优选地，该系统还包括第二一级冷头冷却部件，连接在所述一级冷头与低温超导磁体的中心传力杆之间，所述一级冷头通过所述第二一级冷头冷却部件冷却所述中心传力杆，其中，所述中心传力杆一端与所述低温超导线圈连接而另一端依次穿过所述氦槽和所述冷屏向外伸出，所述超导磁体外壳具有与伸出所述冷屏的所述中心传力杆配合的外凸部分。

优选地，该系统还包括氦气循环装置，设置在所述冷屏表面上，且所述氦气循环装置的入口与出口均与所述氦气输出管连通，所述氦气输出管中的氦气经所述氦气循环装置的入口进入所述氦气循环装置并经所述氦气循环装置的出口返回至所述氦气输出管，通过氦气在所述氦气循环装置中的循环对所述冷屏进行冷却。

优选地，该系统还包括气压阀，设置在所述氦气循环装置的入口处，用于根据氦气的流速控制进入所述氦气循环装置的氦气流量。

优选地，所述液氦储存罐与所述低温超导磁体之间通过法兰卡接。

优选地，该系统还包括冷头保护外壳，用于保护所述一级冷头和所述二级冷头。

优选地，所述引线冷却通道、所述冷屏冷却通道、所述第一一级冷头冷却部件、所述二级冷头冷却部件和所述第二一级冷头冷却部件均为用于导冷的金属连接件。

优选地，所述金属连接件的材料为铜或铝。

优选地，所述金属连接件通过焊接方式与对应部件连接。

通过上述技术方案，可以在氦气排出管与超导电流引线之间设置引线冷却通道，在氦气排出管与冷屏之间设置冷屏冷却通道，进而可以利用从氦槽挥发并流经氦气输出管的氦气(冷氦气)的低温对超导电流引线和冷屏进行制冷(即，通过引线冷却通道和冷屏冷却通道将氦气输出管的氦气的低温传导至超导电流引线和冷屏实现制冷)，避免了超导电流引线的漏热以及冷屏的热辐射。由此，可以在对挥发的氦气再次有效利用的同时，可以保证低温超导磁体在制冷过程中减少液氦的消耗，并且当超导磁体处于超高速、高载荷和高振动环境下，可有效地减小液氦的挥发，降低低温超导磁体失超的风险。此外，通过设置液氦输入管，可以在制冷过程中为低温超导磁体补充液氦。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的制冷系统的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的中心传力杆部分的示意图；

图3为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的氦气循环装置的示意图；

图4为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的制冷系统的冷却方式示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的制冷系统的结构示意图。

如图1所示，一种低温超导磁体的制冷系统，所述低温超导磁体包括低温超导线圈15、可插拔电流引线1、超导磁体外壳2和超导电流引线3，所述可插拔电力引线1通过所述超导电流引线3与所述低温超导线圈15连接，所述超导磁体外壳2用于维持低温超导磁体内部所需的真空状态，其特征在于，该制冷系统包括冷屏13、引线冷却通道4、冷屏冷却通道5、第一液氦输入口6、第一氦气输出口7、氦槽14、液氦输入管23和氦气输出管24，所述冷屏13设置在所述低温超导线圈15外，所述氦槽14设置在所述冷屏13和所述低温超导线圈15之间且与二者均不接触，所述液氦输入管23和所述氦气输出管24均与所述氦槽14连接，从所述第一液氦输入口6经所述液氦输入管23向所述氦槽14注入液氦，从所述氦槽14挥发的氦气经所述氦气输出管24从所述第一氦气输出口7输出，所述引线冷却通道4连接在氦气输出管24与所述超导电流引线3之间，用于导冷以对所述超导电流引线3进行冷却，所述冷屏冷却通道5连接在氦气输出管24与所述冷屏13之间，用于导冷以对所述冷屏13进行冷却。

结合图1可知，低温超导磁体的超导电流引线从低温超导线圈直接与外界连接，而低温超导线圈温度为4.2K，外界温度一般为300K，因而超导电流引线由于导热造成的热负载是超导磁体主要漏热源之一；而由于冷屏与氦槽距离较近，若冷屏没有预冷却，那么冷屏温度会比较高，冷屏表面温度会直接对着氦槽表面(4.2K)，根据辐射热流密度，氦槽会吸收大量的辐射热，造成液氦快速挥发，因此在低温超导磁体制冷和运行过程中，冷屏必须进行被动制冷，维持较低温度。通过本发明的制冷系统，可以对低温超导磁体制冷过程中和运行过程中挥发的冷氦气(20-30K)再次利用，即引线冷却通道和冷屏冷却通道可以将氦气输出管的氦气的低温传导至超导电流引线和冷屏实现冷却(采用热传导形式实现冷却)。

通过上述技术方案，可以在氦气排出管与超导电流引线之间设置引线冷却通道，在氦气排出管与冷屏之间设置冷屏冷却通道，进而可以利用从氦槽挥发并流经氦气输出管的氦气(冷氦气)的低温对超导电流引线和冷屏进行制冷，避免了超导电流引线的漏热以及冷屏的热辐射。由此，可以在对挥发的氦气再次有效利用的同时，可以保证低温超导磁体在制冷过程中减少液氦的消耗，并且当超导磁体处于超高速、高载荷和高振动环境下，可有效地减小液氦的挥发，降低低温超导磁体失超的风险。此外，通过设置液氦输入管，可以在制冷过程中为低温超导磁体补充液氦。

其中，参考图1可知，可插拔电流引线1设置在超导磁体外壳2外部，在需要(励磁)时可以插入低温超导磁体与超导电流引线3相连，不需要(退磁)时可以拔下而与低温超导磁体分离，举例来讲，可插拔电流引线1可以采用高纯无氧铜制作，超导电流引线3的材料可以为超导材料。此外，对于液氦输入管23和所述氦气输出管24而言，均是穿出超导磁体外壳向外伸出。

更进一步地，对于超导磁体外壳2而言，其可以维持低温超导磁体内部高真空状态，且有一定的承力作用，材料可以为不锈钢或钛合金等高强度非导磁材料。

更进一步地，冷屏13可以由高电导率材料组成，如银，铜，高纯铝等材料，主要功能为(1)为了屏蔽外界高频磁场对低温超导线圈的影响，防止因为低温超导线圈交流损耗过大引发失超；(2)减少室温直接到制冷介质温度的热辐射，从而减少超导磁体系统的漏热。氦槽14是存放制冷介质的密封容器，主要功能为(1)将低温超导线圈冷却至工作温度低温超导线圈为4.2K；(2)在高载荷超导磁体运行过程中，实现力的传递，为磁体系统的传力装置。低温超导线圈15是低温超导磁体的核心装置，低温超导线圈励磁后产生磁场，与超导磁体外部线圈相互作用产生电磁力。

根据本发明一种实施例，该系统还包括液氦储存罐8、一级冷头11、二级冷头10、制冷机12、第一一级冷头冷却部件18和二级冷头冷却部件17，所述液氦储存罐8具有第二液氦输入口6’和第二氦气输出口7’且用于存放液氦，所述第一液氦输入口6和所述第一氦气输出口7与所述液氦储存罐8连接,所述一级冷头11和所述二级冷头10设置在所述液氦储存罐8中且与所述制冷机12连接，所述第一一级冷头冷却部件18连接在所述一级冷头11和所述冷屏13之间，所述二级冷头冷却部件17连接在所述二级冷头10和所述超导电流引线3之间，所述一级冷头11通过所述第一一级冷头冷却部件18导冷对所述冷屏13进行冷却，所述二级冷头10通过所述二级冷头冷却部件17导冷对所述超导电流引线3进行冷却。

其中，二级冷头10的制冷功率虽然较低，但是温度也很低，例如G-M制冷机的二级冷头的制冷能力为1.5W@4.2K。本发明中的二级冷头主要是为了配合二级冷头冷却部件17冷却低温超导磁体内部的一些漏热较大的零部件，从而减少低温超导磁体的系统漏热。一级冷头11的功能与二级冷头10类似，不再赘述。一级冷头的制冷功率较高，但是温度也很高，例如G-M制冷机的一级冷头的制冷能力为30W@50K等。制冷机12为制冷机冷头的外露部分，与制冷机的压缩机相连，对制冷机的一级和二级冷头提供冷量，从而冷却超导磁体。

如上所述，超导电流引线是低温超导磁体的主要漏热源之一，在液氦输出管的热传导形式冷却超导电流引线的基础上，可以通过在所述二级冷头10和所述超导电流引线3之间设置二级冷头冷却部件17，以在低温超导磁体制冷过程中进一步降低超导电流引线的温度，有效地减少制冷时的液氦消耗。采用制冷机的二级冷头和二级冷头冷却部件17可以将超导电流引线冷却至例如20K左右，然后再对低温超导磁体进行制冷。与二级冷头冷却部件17类似，冷屏也是低温超导磁体的主要漏热源之一，采用制冷机的一级冷头和第一一级冷头冷却部件18可以进一步降低冷屏的温度，例如可以将冷屏冷却至50K左右，然后再对低温超导磁体进行制冷。

结合图1可知，第二液氦输入口6’为液氦储存罐8的液氦输入口，在制冷过程中为液氦储存罐8注入液氦，再将液氦储存罐8的液氦注入低温超导磁体内部；当液氦储存罐8拔出后，也可利用超导磁体外壳2的第一液氦输入口6直接注入液氦至超导磁体内部。举例来讲，第一和第二液氦输入口以及液氦输入管可以采用双层低温波纹管制作而成。与第二液氦输入口6’类似，第二氦气输出口7’为液氦储存罐8的氦气输出口，在超导磁体制冷过程中液氦会在超导磁体氦槽内部快速挥发，可依次通过第一氦气输出口和第二氦气输出口喷出。在没有液氦储存罐8的情况下，挥发的氦气直接通过第一氦气输出口喷出。

液氦储存罐8能存放一部分液氦，同时也是制冷机一级和二级冷头的存放装置，在低温超导磁体制冷过程中利用一级冷头和二级冷头以及第一一级冷头冷却部件18和二级冷头冷却部件17冷却低温超导磁体内部的主要漏热部件，减少制冷过程中液氦的消耗；在低速巡检过程中，液氦储存罐8与低温超导磁体一起低速运动，液氦储存罐8内部存放的一部分液氦也用于补充低温超导磁体运行过程中消耗的液氦。需要说明的是第一液氦输入口、第二液氦输入口、第一氦气输出口和第二氦气输出口在液氦储存罐8内部有管路相连，具体连接方式可以采用现有技术中已有的方法，为了不混淆本发明，在此不再赘述。

图2为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的中心传力杆部分的示意图。

根据本发明一种实施例，如图2所示，该系统还包括第二一级冷头冷却部件20，连接在所述一级冷头11与低温超导磁体的中心传力杆19之间，所述一级冷头11通过所述第二一级冷头冷却部件20冷却所述中心传力杆19，其中，所述中心传力杆19一端与所述低温超导线圈15连接而另一端依次穿过所述氦槽14和所述冷屏13向外伸出，所述超导磁体外壳2具有与伸出所述冷屏13的所述中心传力杆19配合的外凸部分22。

由此，所述一级冷头11通过所述第二一级冷头冷却部件20可以将所述中心传力杆19预冷至例如50K左右，从而降低中心传力杆的漏热。

在图2中，通过超导骨架21支撑低温超导线圈15，中心传力杆19与低温超导线圈15的中心相连，举例来讲，可以直接将低温超导线材绕在超导骨架上，通过张力控制和后续固化工艺将超导线和超导骨架固定一起。超导骨架主要支撑低温超导线圈，在绕线和固化时起支撑作用，增加超导线圈的结构低强度。超导骨架的材料可以为高强度非导磁材料，优选为金属，如316L不锈钢和钛合金等材料。外凸部分22为超导磁体外壳2的一部分，主要起维持中心传力杆处的高真空，同时也起到传力作用，与超导磁体外壳2一致，可以采用不锈钢或钛合金等高强度非导磁材料。

中心传力杆19为主要的传力装置，可以将低温超导线圈产生的电磁力转化为机械力，使低温超导磁体运动。中心传力杆内部连接超导线圈中心处，外部处于在室温，因此中心传力杆两端温度分别为4.2K和300K，根据导热微分方程，中心传力杆的传导热也是低温超导磁体系统的主要漏热之一，因此通过在所述一级冷头11与低温超导磁体的中心传力杆19之间设置第二一级冷头冷却部件20，可以对中心传力杆19进行冷却，避免产生漏热。

举例来讲，中心传力杆的材料优先选用低导热、高强度的材料，如钛合金等。

综上所述，低温超导磁体内部的超导电流引线和中心传力杆的热传导以及冷屏的热辐射是磁体系统在制冷过程和运行过程主要的漏热源之一，采用引线冷却通道4、冷屏冷却通道5和氦气输出管冷却超导电流引线和冷屏，以及采用制冷机的一级和二级冷头、和对应的冷却部件制冷超导电流引线、冷屏和中心传力杆，可在低温超导磁体制冷过程中减少液氦的消耗，降低超导磁体制冷成本。

图3为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的氦气循环装置的示意图。

根据本发明一种实施例，该系统还包括氦气循环装置16，设置在所述冷屏13表面上，且所述氦气循环装置16的入口与出口均与所述氦气输出管24连通，所述氦气输出管24中的氦气经所述氦气循环装置16的入口进入所述氦气循环装置16并经所述氦气循环装置16的出口返回至所述氦气输出管24，通过氦气在所述氦气循环装置16中的循环对所述冷屏13进行冷却。

由此，可以通过氦气循环装置进一步对冷屏进行冷却。并且，在超高速和高载荷运行环境下，当制冷机不能随着超导磁体运动的时，通过氦气循环装置可以使得超导电流引线、冷屏和中心传力杆在低温超导磁体运行过程中也能得到冷却。

更具体地，氦气循环装置可以利用冷氦气进一步冷却冷屏，减少超导磁体制冷和运行过程中液氦的消耗量。举例来讲，该氦气循环装置可以为循环管路结构(如图3所示的回形管路)，将该氦气循环装置的入口和出口与氦气输出管连接，可以构成三通管路形式。在冷氦气从氦槽挥发时，可以将一部分冷氦气通过三通管路对冷屏进行冷却，之后再将冷却后的氦气通过三通管路从出氦气输出口挥发，从而形成冷氦气冷却循环管路，这样既能进一步冷却冷屏，又能循环利用挥发的氦气。也就是，可以将低温超导磁体运动过程中挥发的冷氦气(温度约20-30K)通过三通管路的结构先流至冷屏进行冷却，使得冷屏的温度降低，再将氦气流出氦气输出口。

举例来讲，氦气输出管与氦气循环装置可以采用低温波纹管。对于氦气循环装置的循环管路而言，可以通过对常规低温波纹管进行低温焊接得到。低温波纹管的材料可以为不锈钢材料，低温焊接工艺成熟，容易实现。

利用氦气循环装置，将低温超导磁体制冷或运行时挥发的冷氦气循环利用，对低温超导磁体漏热较大的零部件进行制冷，可以减少低温超导磁体制冷时的运行时的液氦消耗量，降低超导磁体的失超风险。

进一步地，根据实际低温超导磁体漏热情况，若超导电流引线或中心传力杆的漏热较大，也可利用类似的氦气循环装置将其温度冷却，基本原理类似，此处不再赘述。

根据本发明一种实施例，该系统还包括气压阀，设置在所述氦气循环装置16的入口处，用于根据氦气的流速控制进入所述氦气循环装置16的氦气流量。

由此，可以实现进入氦气循环装置的氦气的流量的调节。

根据本发明一种实施例，所述液氦储存罐8与所述低温超导磁体之间通过法兰卡接。

由此，可以通过法兰实现液氦储存罐的快速插拔。并且，由于一级和二级冷头安装在液氮储存罐上与制冷机连接，因而也可以同时实现制冷机的快速插拔，维修性和可靠性较高。也就是，结合上述实施例可知，本发明所述的制冷系统可在制冷机脱机下适用，即适用于超高速、高载荷环境下运行的低温超导磁体。

根据本发明一种实施例，该系统还可以包括冷头保护外壳9，用于保护所述一级冷头11和所述二级冷头10。

也就是，冷头保护外壳可以起到保护制冷机冷头不受液氦和冷氦气的冲击。冷头保护外壳的材料可以为不锈钢等非导磁材料。

根据本发明一种实施例，所述引线冷却通道4、所述冷屏冷却通道5、所述第一一级冷头冷却部件18、所述二级冷头冷却部件17和所述第二一级冷头冷却部件20均可以为用于导冷的金属连接件。

举例来讲，所述引线冷却通道4和所述冷屏冷却通道5可以为端点设置有金属片的金属热管(如图1所示，可以在所述引线冷却通道4一端设置金属片，可以在所述冷屏冷却通道5两端均设置金属片)，而所述第一一级冷头冷却部件18、所述二级冷头冷却部件17和所述第二一级冷头冷却部件20可以为无金属片的金属热管。

本领域技术人员应当理解，上述描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，金属片的设置可以根据实际情况而定，例如，可以在金属热管两端点均设置金属片，或均不设置金属片等等。

根据本发明一种实施例，所述金属连接件的材料可以为铜或铝。

本领域技术人员应当理解，上述关于金属连接件的材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明，其他导热系数高的金属材料也可以应用于本发明。

此外，对于所述引线冷却通道4、所述冷屏冷却通道5、所述第一一级冷头冷却部件18、所述二级冷头冷却部件17和所述第二一级冷头冷却部件20各自的数量，本发明不对此进行限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定各部件/通道的数量。

根据本发明一种实施例，所述金属连接件可以通过焊接方式与对应部件连接。

通过焊接方式连接，即便是在高载荷环境下，本发明上述实施例中所述的制冷系统也可以可靠运行。

图4为根据本发明实施例的一种低温超导磁体的制冷系统的冷却方式示意图。

如图4所示，本发明上述实施例中所述的低温超导磁体的制冷系统中的一级冷头11结合第一一级冷头冷却部件18可以制冷冷屏13和中心传力杆19，二级冷头10结合二级冷头冷却部件17可以制冷超导电流引线3，氦气输出管24结合引线冷却通道4和冷屏冷却通道5的传导冷却可以冷却冷屏13和超导电流引线3，氦气循环装置的氦气循环可以冷却冷屏13。制冷机的一级冷头和二级冷头冷却可以在低温超导磁体制冷时起作用，而氦气输出管的传导冷却和氦气循环装置的冷却既可以在制冷过程中也可以在低温超导磁体运行过程中起作用。

值得说明的是，上述描述为低温超导磁体冷却方式的一种示例，实际情况下的低温超导磁体各不相同，具体的冷却方式可以按照实际情况下低温超导磁体零部件的漏热大小和实际空间而定，若磁体空间允许，氦气输出管也可以冷却中心传力杆，氦气循环装置也可以冷却中心传力杆和超导电流引线(如图4中虚线所示)。同理，制冷机的一级冷头和二级冷头的冷却对象也可互换和增加。

从上述实施例可以看出，本发明上述实施例中所述的制冷系统把低温超导磁体漏热较大的零部件均以不同的方式进行预冷和制冷，在减少低温超导磁体制冷成本的同时，也减少超导磁体在运行过程中的液氦消耗量，降低低温超导磁体的失超风险，提高磁体系统的安全性。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低温超导磁体的制冷系统，所述低温超导磁体包括低温超导线圈(15)、可插拔电流引线(1)、超导磁体外壳(2)和超导电流引线(3)，所述可插拔电力引线(1)通过所述超导电流引线(3)与所述低温超导线圈(15)连接，所述超导磁体外壳(2)用于维持低温超导磁体内部所需的真空状态，其特征在于，该制冷系统包括冷屏(13)、引线冷却通道(4)、冷屏冷却通道(5)、第一液氦输入口(6)、第一氦气输出口(7)、氦槽(14)、液氦输入管(23)和氦气输出管(24)，所述冷屏(13)设置在所述低温超导线圈(15)外，所述氦槽(14)设置在所述冷屏(13)和所述低温超导线圈(15)之间且与二者均不接触，所述液氦输入管(23)和所述氦气输出管(24)均与所述氦槽(14)连接，从所述第一液氦输入口(6)经所述液氦输入管(23)向所述氦槽(14)注入液氦，从所述氦槽(14)挥发的氦气经所述氦气输出管(24)从所述第一氦气输出口(7)输出，所述引线冷却通道(4)连接在氦气输出管(24)与所述超导电流引线(3)之间，用于导冷以对所述超导电流引线(3)进行冷却，所述冷屏冷却通道(5)连接在氦气输出管(24)与所述冷屏(13)之间，用于导冷以对所述冷屏(13)进行冷却，该系统还包括氦气循环装置(16)，设置在所述冷屏(13)表面上，且所述氦气循环装置(16)的入口与出口均与所述氦气输出管(24)连通，所述氦气输出管(24)中的氦气经所述氦气循环装置(16)的入口进入所述氦气循环装置(16)并经所述氦气循环装置(16)的出口返回至所述氦气输出管(24)，通过氦气在所述氦气循环装置(16)中的循环对所述冷屏(13)进行冷却。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该系统还包括液氦储存罐(8)、一级冷头(11)、二级冷头(10)、制冷机(12)、第一一级冷头冷却部件(18)和二级冷头冷却部件(17)，所述液氦储存罐(8)具有第二液氦输入口(6’)和第二氦气输出口(7’)且用于存放液氦，所述第一液氦输入口(6)和所述第一氦气输出口(7)与所述液氦储存罐(8)连接,所述一级冷头(11)和所述二级冷头(10)设置在所述液氦储存罐(8)中且与所述制冷机(12)连接，所述第一一级冷头冷却部件(18)连接在所述一级冷头(11)和所述冷屏(13)之间，所述二级冷头冷却部件(17)连接在所述二级冷头(10)和所述超导电流引线(3)之间，所述一级冷头(11)通过所述第一一级冷头冷却部件(18)导冷对所述冷屏(13)进行冷却，所述二级冷头(10)通过所述二级冷头冷却部件(17)导冷对所述超导电流引线(3)进行冷却。

3.根据权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，该系统还包括第二一级冷头冷却部件(20)，连接在所述一级冷头(11)与低温超导磁体的中心传力杆(19)之间，所述一级冷头(11)通过所述第二一级冷头冷却部件(20)冷却所述中心传力杆(19)，其中，所述中心传力杆(19)一端与所述低温超导线圈(15)连接而另一端依次穿过所述氦槽(14)和所述冷屏(13)向外伸出，所述超导磁体外壳(2)具有与伸出所述冷屏(13)的所述中心传力杆(19)配合的外凸部分(22)。

4.根据权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，该系统还包括气压阀，设置在所述氦气循环装置(16)的入口处，用于根据氦气的流速控制进入所述氦气循环装置(16)的氦气流量。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的制冷系统，其特征在于，所述液氦储存罐(8)与所述低温超导磁体之间通过法兰卡接。

6.根据权利要求2-4中任一项所述的制冷系统，其特征在于，该系统还包括冷头保护外壳(9)，用于保护所述一级冷头(11)和所述二级冷头(10)。

7.根据权利要求3或4所述的制冷系统，其特征在于，所述引线冷却通道(4)、所述冷屏冷却通道(5)、所述第一一级冷头冷却部件(18)、所述二级冷头冷却部件(17)和所述第二一级冷头冷却部件(20)均为用于导冷的金属连接件。

8.根据权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，所述金属连接件的材料为铜或铝。

9.根据权利要求8所述的制冷系统，其特征在于，所述金属连接件通过焊接方式与对应部件连接。

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