CN113035489A - 一种传导冷却的大型高温超导磁体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，包括线圈骨架、高温超导线圈组和冷却通道组件；所述高温超导线圈组设置有电连接组件，所述电连接组件用于对所述高温超导线圈组励磁；所述冷却通道组件与所述高温超导线圈组之间设置有导热材料制成的第二绝缘层，用于防止所述冷却通道组件整体带电；所述第二绝缘层两侧分别与所述高温超导线圈组以及所述冷却通道组件热接触；所述冷却通道组件设置有用于输入低温氦气的进气口及排出所述低温氦气的出气口。构造简单、易于加工，适用于大型高温超导磁体的传导冷却；采用本发明结构的大型高温超导磁体运行过程中具有更好的温度均匀性，有利于提高冷却效果、降低制冷成本。

Description

一种传导冷却的大型高温超导磁体结构

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，尤其涉及一种传导冷却的大型高温超导磁体结构。

背景技术

本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就应认为是现有技术。

强磁场技术在工业，医疗，国防和科研领域有广泛的应用。普通导线绕制的磁体，由于运行电流产生焦耳热的限制，磁场强度提高受到限制。超导线(带)材绕制的磁体，运行电流无焦耳热产生，磁场强度则可以大大提高。超导磁体在高强磁场领域有广阔的应用前景。超导磁体运行过程中，需要保证超导磁体运行温度在超导线(带)材的临界温度以下。超导磁体运行温度越高，维持超导磁体低温环境所需的制冷费用越低，因此提高超导磁体运行温度，寻找临界温度高的超导线(带)材是超导磁体发展的重要技术方向。

目前具有工程实用价值的高温超导线(带)材，其临界温度已达到液氮温区(77K)以上。尽管高温超导磁体理论运行温度可以达到77K以上，但是为了提供运行电流，提高磁体运行的稳定性，大部分高温超导磁体设计运行温度在30K左右，因此需要低温制冷机进行冷却。由于氦的价格高，采用无液氦的传导冷却方式的高温超导磁体是目前的主要技术。现有传导冷却的超导磁体结构一般由内到外分别为：内骨架、超导线圈、绑扎线或抱箍。其中，内骨架和绑扎线对超导线圈起支撑固定作用。传导冷却的一般方式为，在低温制冷机冷头设置柔性导冷带，将低温制冷机的冷量传导到高温超导磁体上。这种一般方式当高温超导磁体的尺寸较大时，则无法保证高温超导磁体整体温度的均匀性。

因此目前十分需要研究一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，能够适用于传导冷却方式，实现大型高温超导磁体整体温度均匀，以此进一步推动超导磁体技术的深入发展及广泛应用。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明提供了一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，适用于传导冷却方式进行冷却。

本发明提供的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，包括线圈骨架、高温超导线圈组和冷却通道组件；所述线圈骨架与所述高温超导线圈组之间设置有第一绝缘层，用于防止线圈骨架带电；所述高温超导线圈组设置有电连接组件，所述电连接组件用于对所述高温超导线圈组励磁；所述冷却通道组件与所述高温超导线圈组之间设置有导热材料制成的第二绝缘层，用于防止所述冷却通道组件整体带电；所述第二绝缘层两侧分别与所述高温超导线圈组以及所述冷却通道组件热接触；所述冷却通道组件设置有用于输入低温氦气的进气口及排出所述低温氦气的出气口。所述冷却通道组件与所述高温超导线圈组通过导热连接实现热交换而进行冷却，解决了传统结构中依赖低温制冷机冷头设置的柔性导冷带进行制冷时的局限性，不受限于柔性导冷带尺寸和柔性导冷带冷却区域范围，能够适用于大型高温超导磁体冷却，且大型高温超导磁体运行过程中具有更好的温度均匀性。

一般的情况中，所述冷却通道组件包括导冷单元和冷却管；所述冷却管外壁与所述导冷单元热接触；所述冷却管的两端开口分别为所述进气口与所述出气口；所述导冷单元与所述第二绝缘层热接触。

所述导冷单元有多个，串联设置在所述冷却管上。所述冷却通道组件由多个导冷单元串联形成分段式结构，分段式结构增加了冷却通道组件整体的柔性，降低了对冷却通道组件的表面加工要求，有利于冷却通道组件与所述高温超导线圈组之间有更大的热传导区域。

所述冷却管是柔性管道。

所述导冷单元包括导冷块，所述导冷块内部开设有贯通孔，所述冷却管外壁与所述贯通孔内壁紧密接合，形成热接触；所述第二绝缘层设置在所述导冷块的外表面。

所述冷却管外壁与所述贯通孔内壁通过真空钎焊焊接固定连接。

所述导冷单元还包括限位结构，所述限位结构将所述导冷块固定在所述高温超导线圈组的外表面上。通过限位结构的设置能够保持所述高温超导线圈组与所述导冷块持续稳定的热传导。

优选的，还包括冷却板；所述冷却板与所述高温超导线圈组之间设置有导热材料制成的第三绝缘层，用于防止所述冷却板带电；所述第三绝缘层两侧分别与所述冷却板及所述高温超导线圈组热接触。所述高温超导线圈组被冷却板和冷却通道组件共同冷却，冷却效果更好，从而可以适当提高制冷机冷头的运行温度，从而降低制冷机运行费用，利于节约制冷成本。

所述高温超导线圈组上下两侧分别设置有所述冷却板。

所述冷却板采用铜材料制作。

所述高温超导线圈组有多个，相邻所述高温超导线圈组之间通过所述电连接组件进行电连接。

与现有技术相比，本发明的主要有益效果：

本发明的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，构造简单，适用于对包括一个或多个高温超导线圈组的大型高温超导磁体的传导冷却；包括所述冷却通道组件，与高温超导线圈组之间绝缘且导热，两者通过热交换能够使得大型高温超导磁体运行过程中具有更好的温度均匀性；所述冷却板与所述冷却管道组件共同冷却所述高温超导线圈组，同样的制冷机冷头的运行温度下制冷效果更好，因此可以适当提高制冷机冷头的运行温度，从而降低制冷机运行费用。冷却通道组件采用多个所述冷却单元的分段式结构，提高了冷却通道组件的柔性，降低了冷却通道加工精度要求，同时与所述高温超导线圈组之间的热传导区域更大，有利于改善高温超导线圈的冷却效果。

附图说明

图1为本发明实施例一的大型高温超导磁体结构示意图。

图2为本发明实施例一的大型高温超导磁体结构的组成示意图。

图3为本发明实施例一的冷却通道组件的剖面示意图。

图4为本发明实施例二的大型高温超导磁体结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。

实施例一

本发明实施例一中，结合图1和图2所示，传导冷却的大型高温超导磁体结构，包括线圈骨架1、绕制在线圈骨架1上的单个高温超导线圈组2以及冷却通道组件3；线圈骨架1与高温超导线圈组2之间设置有第一绝缘层A，用于防止线圈骨架带电；高温超导线圈组2设置有电连接组件4，电连接组件4用于对高温超导线圈组2励磁；冷却通道组件3与高温超导线圈组2之间设置有导热材料制成的第二绝缘层B，用于防止冷却通道组件3整体带电；第二绝缘层B两侧分别与高温超导线圈组2背离线圈骨架1的外表面以及冷却通道组件3的一侧表面热接触；冷却通道组件3设置有用于输入低温氦气的进气口5及排出所述低温氦气的出气口6。本实施例中，冷却通道组件3包括导冷单元30和冷却管31；冷却管31的两端开口分别为进气口5与出气口6。本实施例中，冷却管31是柔性管道。

本实施例中如图3所示，导冷单元30包括导冷块32，导冷块32内部开设有贯通孔，冷却管31外壁与导冷单元30热接触具体的做法是冷却管31外壁与所述贯通孔内壁紧密接合，形成热接触，冷却管31外壁与所述贯通孔内壁通过真空钎焊焊接固定连接。第二绝缘层B设置在导冷块32的外表面。导冷单元30通过第二绝缘层B与高温超导线圈组2进行热传导。本实施例中，导冷单元30有多个，串联设置在冷却管31上。本实施例附图中示意有9个导冷单元30，并不限定，可以根据实际应用情况有更多或更少的导冷单元30。冷却通道组件3由多个导冷单元30串联形成分段式结构。

本实施例中高温超导线圈组2的上下两侧分别设置有一块冷却板7。冷却板7采用铜材料制作。冷却板7与高温超导线圈组2之间设置有导热材料制成的第三绝缘层C，用于防止冷却板7带电。第三绝缘层C两侧分别与冷却板7及高温超导线圈组2热接触。高温超导线圈组3被冷却板7和冷却通道组件3共同冷却，冷却效果更好，从而可以适当提高制冷机冷头的运行温度，从而降低制冷机运行费用，利于节约制冷成本。在也有的一些实施例中高温超导线圈组2只有一侧设置有冷却板7或者没有冷却板7，并不限定。

本实施例中，导冷单元30还包括限位结构，所述限位结构将导冷块32固定在高温超导线圈组2的外表面上。通过限位结构的设置能够保持高温超导线圈组2与导冷块32持续稳定的热传导。本实施例中的所述限位结构具体是由4个压紧螺栓T配合一块压紧侧板P组成。压紧侧板P通过螺栓等方式固定于冷却板7上，压紧螺栓T通过压紧侧板P上的螺孔与压紧侧板P连接，拧紧压紧螺栓T则推抵导冷块32，将导冷块32压紧在高温超导线圈组2的外表面上。在其它具体情况中所述限位结构也可以包括其它形式，例如绑扎带将导冷块32绑定在高温超导线圈组2的外表面上等方式，并不限定。同样压紧螺栓T及压紧侧板P的数量也根据实际需要设置，并不限定。

实施例二

如图4所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，本实施例中传导冷却的大型高温超导磁体结构包括6个高温超导线圈组2，相邻高温超导线圈组2之间有冷却板7，相邻高温超导线圈组2之间通过电连接组件4进行电连接。包括6个层叠的高温超导线圈组2是本实施例结合附图的一个优选示例性说明，在实际应用中高温超导线圈组2并不限于6个，可以有更多个或更少个，并不限定。

本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：包括线圈骨架、高温超导线圈组和冷却通道组件；

所述线圈骨架与所述高温超导线圈组之间设置有第一绝缘层，用于防止线圈骨架带电；

所述高温超导线圈组设置有电连接组件，所述电连接组件用于对所述高温超导线圈组励磁；

所述冷却通道组件与所述高温超导线圈组之间设置有导热材料制成的第二绝缘层，用于防止所述冷却通道组件整体带电；所述第二绝缘层两侧分别与所述高温超导线圈组以及所述冷却通道组件热接触；

所述冷却通道组件设置有用于输入低温氦气的进气口及排出所述低温氦气的出气口。

2.根据权利要求1所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述冷却通道组件包括导冷单元和冷却管；所述冷却管外壁与所述导冷单元热接触；所述冷却管的两端开口分别为所述进气口与所述出气口；所述导冷单元与所述第二绝缘层热接触。

3.根据权利要求2所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述导冷单元有多个，串联设置在所述冷却管上。

4.根据权利要求2所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述导冷单元包括导冷块，所述导冷块内部开设有贯通孔，所述冷却管外壁与所述贯通孔内壁紧密接合，形成热接触；所述第二绝缘层设置在所述导冷块的外表面。

5.根据权利要求4所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述导冷单元还包括限位结构，所述限位结构将所述导冷块固定在所述高温超导线圈组的外表面上。

6.根据权利要求2所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述冷却管是柔性管道。

7.根据权利要求1所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：还包括冷却板；所述冷却板与所述高温超导线圈组之间设置有导热材料制成的第三绝缘层，用于防止所述冷却板带电；所述第三绝缘层两侧分别与所述冷却板及所述高温超导线圈组热接触。

8.根据权利要求7所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述冷却板采用铜材料制作。

9.根据权利要求7所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述高温超导线圈组上下两侧分别设置有所述冷却板。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种传导冷却的大型高温超导磁体结构，其特征在于：所述高温超导线圈组有多个，相邻所述高温超导线圈组之间通过所述电连接组件进行电连接。

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