CN113126009A - 一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，包括制冷机和外杜瓦，所述制冷机包括主制冷机和次制冷机，所述主制冷机和次制冷机通过导冷结构分别连接有防辐射冷屏和高温超导磁体绕组，所述高温超导磁体绕组由多个高温超导线圈组成，所述高温超导磁体绕组通过高温超导电流引线连接有通电端子。该直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，可以一次测试多个大尺寸高温超导线圈，无需多次拆装，同时还能通过电流引线鞘套快插端子这样的活动结构，对通电线圈进行定向测试，大大节省了磁体达到励磁条件所需要的抽空和降温时间，实现高效测试，并且本测试平台结构简单、可靠，操作方便，使用机动，为多线圈高温超导磁体测试，提供了平台。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体低温传热技术领域，具体为一种直冷高温超导磁体 测试平台及装配方法。
背景技术
超导磁体的稳定运行由多个因素共同决定，其中关键因素之一就是低温 环境，从低温环境的获得来分类，可分为液氦浸泡冷却和制冷机直接冷却两 种方式，但是由于受氦资源短缺和高成本的制约，制冷机直接冷却磁体越来 越受到市场欢迎。
对于高温超导磁体，其仅在液氮温区即可实现超导态，可以使用大冷量 的单级G-M制冷机进行降温从而提供超导环境，但是一般的高温超导磁体线 圈测试平台，无法实现多个线圈排序测试或同时测试，只能单个线圈测试完 成后，再进行另外线圈的测试，每次的测试过程都需要经过抽空、降温、回 温的过程，测试过程繁琐、测试时间周期长、测试效率低。
在中国发明专利申请公开说明书CN 202010692707.9U中公开的一种超 导磁体和复合磁制冷机，该超导磁体和复合磁制冷机，虽然，将回热式制冷 机与磁制冷机结合是获得更低温度的一个有效手段，采用在回热式制冷机的 末端回热器添加剩余冷头的方法，从而使末端多出一个或数个冷头，不同冷 头提供不同冷量，将除制冷盐之外的其他组件冷却至适合温度，从而使最冷 的末端冷头作为磁制冷机的环境温度，其他需要的冷量则由温度较高的剩余 冷头提供。但是，该无法实现多个线圈排序测试或同时测试，只能单个线圈 测试完成后，再进行另外线圈的测试，同时在其定向测试方面不够完善。
为此，本发明研发了一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术中无法实现多个线圈排序测试或同时测试，且测试过程都 需要经过抽空、降温、回温的过程，测试过程繁琐、测试时间周期长、测试 效率低的不足，本发明提供了一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法， 具备可以一次测试多个高温超导线圈，无需多次拆装，还能对通电线圈进行 定向测试等优点，解决了现有技术中所提出的问题。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直冷高温超导磁体测 试平台，包括制冷机和外杜瓦，所述制冷机包括主制冷机和次制冷机，所述 主制冷机和次制冷机通过导冷结构分别连接有防辐射冷屏和高温超导磁体绕 组，所述高温超导磁体绕组由多个高温超导线圈组成。
优选的，所述制冷机的外表面设置有电机磁屏蔽组件。
优选的，所述高温超导磁体绕组的外部设置有支撑架，所述支撑架和外 杜瓦选用绝热材料。
优选的，所述外杜瓦的底部分别设置有抽空阀、真空规以及信号端子。
优选的，所述高温超导磁体绕组通过高温超导电流引线连接有通电端子， 所述通电端子包括快插端子，所述快插端子由卡簧结构、波纹管活动底座、 限位器和通电接线柱组成，所述通电端子与布线排连接。
优选的，所述外杜瓦的外表面固定连接有吊装结构。
优选的，所述次制冷机优选70K级单级G-M制冷机，所述主制冷机优选 20K级单级G-M制冷机，且数量为两个。
优选的，所述外杜瓦的底部固定连接有移动支架。
本发明还提出了一种直冷高温超导磁体装配方法，包括以下步骤：
a.外杜瓦支撑底板安装：
首先通过移动支架，将外杜瓦底板支撑起来，形成一定的底部作业空间， 并在外杜瓦底板上安装好三台G-M制冷机冷头、通电端子、信号端子、抽空 阀以及真空规；
b.支撑架安装：
首先在外杜瓦底板上安装支撑架结构，支撑架中间有环作为加强结构， 并将防辐射冷屏底板通过连接结构，悬挂在支撑架上；
再将防辐射冷屏底板通过导冷结构与70K级单级G-M制冷机实现热传导 的方式进行连接；
c.高温超导磁体绕组的吊装及安装：
使用吊装结构，将组装好的高温超导磁体绕组，整体吊装于支撑架上；
再利用高温超导磁体导冷结构连接制冷机与高温超导磁体绕组，然后通 过高温超导电流引线连接高温超导磁体绕组与室温端部分的通电接口；
d.防辐射冷屏安装：
将冷屏筒体及上顶板通过吊装孔固定于已经安装且固定好的冷屏底板 上，同时使用螺钉把接方式进行固定，然后在冷屏筒体周围布置多层热辐射 屏蔽层；
e.杜瓦筒体安装：
通过吊装方式，将外杜瓦筒体及顶板，吊装放置于外杜瓦底板上，再通 过真空密封快拆卡钳压紧密封处密封圈。
f.直冷高温超导磁体测试平台抽空：
利用真空阀与外部真空泵组连接，使用真空泵组将磁体内部抽真空至 10-3Pa以下；
g.高温超导磁体降温:
打开70K级单级G-M制冷机及20K级单级G-M制冷机开关，进行制冷降 温，通过信号端子引出的信号，检测高温超导磁体整体温度，直至温度降低 到目标值。
h.准备工作就绪后，进行高温超导磁体的通电励磁；
根据测试方案，对测试平台内部的线圈进行机动测试。
优选的，在测试时，高温超导磁体绕组通过通电接线柱与外部励磁电源 连接。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种直冷高温超导磁体测试平台及装配 方法，具备以下有益效果：
1.该直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，可以一次测试多个大尺寸 高温超导线圈，无需多次拆装，并且本测试平台结构简单、可靠，操作方便， 使用机动，为多线圈高温超导磁体测试提供了平台。
2、该直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，通过大冷量的单级斯特林 制冷机耦合高温超导磁体绕组，由于直系统的具有充沛的冷量，可以平衡掉 多各线圈绕组接线端子大电流通电下的的发热，同时可实现大尺寸、大重量、 高热容的高温超导磁体绕组的快速降温。
3.该直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，通过通电端子，可实现高 温超导磁体绕组内部线圈通电的快速通电和断开，可由选择性的对目标线圈 进行通电测试，同时测试过程机动高效，进而能最大程度合理利用整个直冷 系统的冷量。
4.该直冷高温超导磁体测试平台及装配方法，在对制冷机直接冷却系统 以及高温超导磁体绕组安装和拆卸方面较为便捷，方便进行更换，进而提高 测试效率。
附图说明
图1为本发明提出的一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法立体结 构示意图；
图2为本发明提出的一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法中外杜 瓦内部结构示意图；
图3为本发明提出的一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法中通电 端子立体结构示意图；
图4为本发明提出的一种直冷高温超导磁体测试平台及装配方法中通电 端子侧视结构示意图。
图中：1、制冷机；101、主制冷机；102、次制冷机；2、移动支架；3、 电机磁屏蔽组件；4、抽空阀；5、真空规；6、布线排；7、通电端子；8、信 号端子；9、真空密封快拆卡钳；10、外杜瓦；11、吊装结构；12、防辐射冷 屏；13、高温超导电流引线；14、导冷结构；15、高温超导磁体绕组；16、 支撑架；17、快插端子；18、波纹管活动底座；19、限位器；20、通电接线 柱。
具体实施方式
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。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。
请参阅图1-4，一种直冷高温超导磁体测试平台，包括制冷机1和外杜瓦 10，所述制冷机1包括主制冷机101和次制冷机102，所述主制冷机101和次 制冷机102通过导冷结构14分别连接有防辐射冷屏12和高温超导磁体绕组 15，所述高温超导磁体绕组15由多个高温超导线圈组成。
优选的，所述制冷机1的外表面设置有电机磁屏蔽组件3。
优选的，所述高温超导磁体绕组15的外部设置有支撑架16，所述支撑架 16和外杜瓦10选用绝热材料，作为高温超导磁体绕组15悬挂吊装的主承力 结构，其在保证支撑强度的同时，又能有效降低低温组件与室温之间的漏热， 从而减小制冷机热负载，进一步保证高温超导磁体绕组15的冷却降温。
优选的，所述外杜瓦10的底部分别设置有抽空阀4、真空规5以及信号 端子8，信号端子8用来对通电信号进行检测。
优选的，所述高温超导磁体绕组15通过高温超导电流引线13连接有通 电端子7，所述通电端子7包括快插端子17，所述快插端子17由卡簧结构、 波纹管活动底座18、限位器19和通电接线柱20组成，所述通电端子7与布 线排6连接；
通电端子7利用快插端子17实现高温超导磁体绕组内部线圈通电的快速 通电和断开，对目标通电线圈进行连接通电，对暂不进行通电励磁测试的线 圈，通电部位进行断开，减小从室温端到磁体线圈的热传导漏热；
通过这种灵活机动的通断方式，可以合理、充分的利用G-M制冷机的冷 量，从而大大缩小高温超导磁体的降温时间，提高试验效率；
高温超导电流引线13作为高温超导磁体绕组15的通电通道，借助其良 好的高温超导特性，大大降低通电后的焦耳热，从而大大降低G-M制冷机的 热负载。
优选的，所述外杜瓦10的外表面固定连接有吊装结构11。
优选的，所述次制冷机102优选70K级单级G-M制冷机，所述主制冷101 机优选20K级单级G-M制冷机，且数量为两个。
优选的，所述外杜瓦10的底部固定连接有移动支架2。
本发明还提出了一种直冷高温超导磁体装配方法，包括以下步骤：
a.外杜瓦10支撑底板安装：
首先通过移动支架2，将外杜瓦10底板支撑起来，形成一定的底部作业 空间，并在外杜瓦10底板上安装好三台G-M制冷机冷头、通电端子7、信号 端子8、抽空阀4以及真空规5；
b.支撑架16安装：
首先在外杜瓦10底板上安装支撑架16结构，支撑架16中间有环作为加 强结构，并将防辐射冷屏12底板通过连接结构，悬挂在支撑架16上；
再将防辐射冷屏12底板通过导冷结构14与70K级单级G-M制冷机实现 热传导的方式进行连接，进而使得70K级单级G-M制冷机的冷量输送至冷屏 筒体及冷屏顶板；
支撑架16作为外杜瓦10内部、防辐射冷屏12和高温超导磁体饶组15 以及吊装结构等所有结构的承重支撑，是主承力结构；
c.高温超导磁体绕组15的吊装及安装：
使用吊装结构11，将组装好的高温超导磁体绕组15整体吊装于支撑架 16上；
再利用导冷结构14连接制冷机1与高温超导磁体绕组15，然后通过高温 超导电流引线13连接高温超导磁体绕组15与室温端部分的通电接口；
d.防辐射冷屏12安装：
将防辐射冷屏12筒体及上顶板通过吊装孔固定于已经安装且固定好的防 辐射冷屏12底板上，同时使用螺钉把接方式进行固定，使得传导至防辐射冷 屏12底板的制冷机冷量进一步输送至防辐射冷屏12筒体及底板上，然后在 冷屏筒体周围布置多层热辐射屏蔽层，对外杜瓦10的辐射热进行隔绝；
e.外杜瓦10筒体安装：
通过吊装方式，将外杜瓦10筒体及其顶板，吊装放置于外杜瓦10底板 上，再通过真空密封快拆卡钳9压紧密封处密封圈，实现整体真空密封。
f.直冷高温超导磁体测试平台抽空：
利用真空阀4与外部真空泵组连接，使用真空泵组将磁体内部抽真空至 10-3Pa以下；
g.高温超导磁体绕组15降温:
打开主制冷机101及次制冷机102开关，进行制冷降温，通过信号端子8 引出的信号，检测高温超导磁体绕组15的整体温度，直至温度降低到目标值。
h.准备工作就绪后，进行高温超导磁体的通电励磁；
根据测试方案，对测试平台内部的线圈进行机动测试。
优选的，在测试时，高温超导磁体绕组15通过通电接线柱20与外部励 磁电源连接。
外杜瓦10顶板上设有抽空接口、温度、电压等信号接口，用来对信号进 行检测。
制冷机1可以在液氮温区提供大量冷量，实现大电流、大尺寸、多线圈 直冷高温超导磁体绕组15的励磁测试试验，整个高温超导线圈绕组15的尺 寸及重量较大，测试平台外形尺寸较大，同时3台单机制冷机冷量充沛，可 对高温超导线圈进行大电流测试，其中接头位置较大的焦耳热可以被单级制 冷机的大冷量平衡掉。
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 没有明确列出的其他要素，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。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素， 并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同 要素。
Claims (10)
1.一种直冷高温超导磁体测试平台，包括制冷机和外杜瓦，其特征在于：所述制冷机包括主制冷机和次制冷机，所述主制冷机和次制冷机通过导冷结构分别连接有防辐射冷屏和高温超导磁体绕组，所述高温超导磁体绕组由多个高温超导线圈组成。
2.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述制冷机的外表面设置有电机磁屏蔽组件。
3.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述高温超导磁体绕组的外部设置有支撑架，所述支撑架和外杜瓦选用绝热材料。
4.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述外杜瓦的底部分别设置有抽空阀、真空规以及信号端子。
5.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述高温超导磁体绕组通过高温超导电流引线连接有通电端子，所述通电端子包括快插端子，所述快插端子由卡簧结构、波纹管活动底座、限位器和通电接线柱组成，所述通电端子与布线排连接。
6.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述外杜瓦的外表面固定连接有吊装结构。
7.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述次制冷机优选70K级单级G-M制冷机，所述主制冷机优选20K级单级G-M制冷机，且数量为两个。
8.根据权利要求1所述的一种直冷高温超导磁体测试平台，其特征在于：所述外杜瓦的底部固定连接有移动支架。
9.一种直冷高温超导磁体装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.外杜瓦支撑底板安装：
首先通过移动支架，将外杜瓦底板支撑起来，形成一定的底部作业空间，并在外杜瓦底板上安装好三台G-M制冷机冷头、通电端子、信号端子、抽空阀以及真空规；
b.支撑架安装：
首先在外杜瓦底板上安装支撑架结构，支撑架中间有环作为加强结构，并将防辐射冷屏底板通过连接结构，悬挂在支撑架上；
再将防辐射冷屏底板通过导冷结构与70K级单级G-M制冷机实现热传导的方式进行连接；
c.高温超导磁体绕组的吊装及安装：
使用吊装结构，将组装好的高温超导磁体绕组，整体吊装于支撑架上；
再利用高温超导磁体导冷结构连接制冷机与高温超导磁体绕组，然后通过高温超导电流引线连接高温超导磁体绕组与室温端部分的通电接口；
d.防辐射冷屏安装：
将冷屏筒体及上顶板通过吊装孔固定于已经安装且固定好的冷屏底板上，同时使用螺钉把接方式进行固定，然后在冷屏筒体周围布置多层热辐射屏蔽层；
e.外杜瓦筒体安装：
通过吊装方式，将外杜瓦筒体及顶板，吊装放置于外杜瓦底板上，再通过真空密封快拆卡钳压紧密封处密封圈。
f.直冷高温超导磁体测试平台抽空：
利用真空阀与外部真空泵组连接，使用真空泵组将磁体内部抽真空至10-3Pa以下；
g.高温超导磁体降温:
打开70K级单级G-M制冷机及20K级单级G-M制冷机开关，进行制冷降温，通过信号端子引出的信号，检测高温超导磁体整体温度，直至温度降低到目标值。
h.准备工作就绪后，进行高温超导磁体的通电励磁；
根据测试方案，对测试平台内部的线圈进行机动测试。
10.根据权利要求9所述的一种直冷高温超导磁体装配方法，其特征在于：在测试时，高温超导磁体绕组通过通电接线柱与外部励磁电源连接。
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