CN113284691A - 一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，所述多组超导线圈缠绕在线圈骨架上，通过上端的电流引线部件通入电流，产生磁场；所述氦容器的形状为环绕超导线圈圆柱的腔体；所述多组超导线圈和线圈骨架装配在氦容器内，通过控制超导线圈与氦容器之间间距，使得在氦容器中通入少量液氦即可达到预定位置液面高度，超导线圈下部通过液氦浸泡方式冷却，超导线圈未被浸泡的部分通过传导方式冷却；在氦容器外围缠绕液氮预冷管；磁体杜瓦上方装有两台制冷机，氦气由制冷机二级冷头液化后，通过液氦进流管流到氦容器底部。本发明通过浸泡冷却与传导冷却相结合的方法，使用少量液氦，实现超导线圈的快速冷却以及液氦零蒸发运行。
Description
技术领域
本发明涉及超导磁体技术领域，尤其涉及一种液氦冷却的超导磁体系统。
背景技术
强磁场改变了原子核与核外电子间的磁力距，从而改变物质的特性。因此强磁场为基础科学以及交叉科学提供新的研究方向。由超导磁体产生的磁场与水冷磁体相比不仅运行成本低、稳定性高、而且磁场更加均匀。由超导材料的特性可知，将超导磁体冷却至更低的温度，可以获得更高的磁场强度以及梯度。
制冷机冷却的超导磁体与传统的低温液体浸泡冷却的超导磁体相比具有结构紧凑、运行方便和安全性好等优点，已成为超导磁体技术和应用的重要发展方向。而目前制冷机冷却的超导磁体存在冷却液灌入量大，冷却利用率低，冷却速度慢等缺点。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提出一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，采用浸泡冷却与传导冷却相结合的方式，实现节省液氦的零蒸发超导磁体系统，本发明通过如下技术方案实现的：
一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，包括多组超导线圈，线圈骨架，氦容器，液氦进流管，氦气回流管，制冷机，液氮预冷管，冷屏，多层绝热，磁体杜瓦，拉杆，电流引线，波纹管；
所述多组超导线圈缠绕在线圈骨架上，通过上端的电流引线部件通入电流，产生磁场；所述氦容器的形状为环绕超导线圈圆柱的腔体；
所述多组超导线圈和线圈骨架装配在氦容器内，通过控制超导线圈与氦容器之间间距，使得在氦容器中通入少量液氦即可达到预定位置液面高度，所述少量液氦是指小于10L，超导线圈下部通过液氦浸泡方式冷却，超导线圈未被浸泡的部分通过传导方式冷却；超导线圈和线圈骨架装配在氦容器内，采用控制超导线圈与氦容器之前间距的方法，可以在氦容器中通入少量液氦，实现只需少量液氦即可达到较高液面冷却高度，给超导线圈冷却降温，也达到了节省液氦的作用；
在氦容器外围缠绕液氮预冷管；磁体杜瓦上方装有两台制冷机，制冷机一级冷头与冷屏连接，二级冷头与氦液化罐连接；氦气回流管连接到氦液化罐上部，氦气由制冷机二级冷头液化后，通过液氦进流管流到氦容器底部。
进一步的，所述超导线圈与氦容器之间留有间隙，间隙为3mm-15mm。
进一步的，所述氦容器内液氦液面同时浸没多组超导线圈底部，浸没高度为90mm-100mm。
进一步的，所述氦容器装配在冷屏中氦容器和冷屏通过拉杆机构，装配固定在磁体杜瓦中。
进一步的，所述冷屏外围包裹多层绝热。
进一步的，所述氦容器上端装有氦气回流管，氦液化罐下方连接液氦进流管，管线数量为1条或多条。
进一步的，液氦进流管直径为2mm-5mm。
进一步的，在降温时先在液氮预冷管通入液氮将磁体冷却到液氮温度，然后将液氮吹除，使用制冷机将磁体系统冷却到液氦温度。
有益效果：
(1)本发明的系统结构，可以减少液氦灌入量，增加液氦冷却利用率，提高超导线圈的冷却速度和效果。采用控制氦容器与超导线圈之间间距的方法，减少氦容器与超导线圈之间的间隙，可以减少液氦在氦容器中的灌入量，实现只需少量液氦即可达到较高的冷却液面高度，达到很好的冷却降温的效果。
(2)氦容器周围缠绕液氮预冷管，可以提前对氦容器降温，提高对超导线圈的冷却效率。
(3)在该发明装置中，液氦给超导线圈降温过程中，部分液氦会气化，蒸发至氦容器顶部，通过上端氦气回流管，进入氦液化罐，氦气液化后，通过氦气回流管流入到氦容器底部，继续给超导线圈冷却降温。这一种封闭的冷却回路，可以反复循环利用，并且过程中液氦是零蒸发，无损失，可以有效的提高液氦冷却利用率。
附图说明
图1为本发明一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统的横向剖面图；
图2为本发明一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统的拉杆剖面图；
图3为本发明一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统的轴向剖面图；
图4为本发明一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统结构示意图；
图5为本发明一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统线圈骨架装配详图。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参考图1和图2，本发明实施例的超导磁体系统包括：超导线圈1，线圈骨架2，氦容器3，拉杆4，冷屏5，多层绝热6，外壳7，制冷机8，液氮预冷管9，液氦进流管11，氦气回流管10，电流引线部件12，波纹管13，氦液化罐14，磁体杜瓦15；
超导线圈1缠绕在线圈骨架2上，通过装配在装置上端电流引线部件12，接入电流，产生磁场。
参考图5，超导线圈1和线圈骨架2通过两侧两端延伸轴装配在氦容器3内。氦容器与超导线圈1之间留有间隙3mm-5mm，在氦容器3中通入少量10L，节省至原来的10％(100L)的液氦即可达到较高液面冷却高度，给超导线圈1提供冷却降温。所述氦容器3的形状为环绕超导线圈圆柱腔体。
因此，本发明超导线圈和线圈骨架装配在氦容器内，采用控制超导线圈与氦容器之前间距的方法，可以在氦容器中通入少量液氦，实现只需少量液氦即可达到较高液面冷却高度，给超导线圈冷却降温，也达到了节省液氦的作用；
在氦容器3外围缠绕液氮预冷管9，通入液氮，提前给氦容器降温，氦容器3装配在冷屏5中，同时冷屏5外围包裹上多层绝热6。本实施例中，在氦容器外围缠绕液氮预冷管，通入液氮，提前给氦容器降温，提高超导线圈的冷却速度。
参考图2，氦容器3和冷屏5是通过拉杆4，装配固定在磁体杜瓦15中，拉杆4通过螺纹旋紧的形式固定。磁体杜瓦15通过焊接与外壳7装配在一起，磁体杜瓦上方装有两台制冷机8，参考图3，氦液化罐14装配在冷屏5和氦容器3之间。
参考图1，图3，图4，氦容器3的上端装有两条氦气回流管10，再通过波纹管13连通到氦液化罐14侧上方，氦液化罐14下端通过波纹管13连接至液氦进流管11，液氦进流管11另一端绕过氦容器3周围(绕了半圈，在氦容器侧围)，通入至氦容器3的底部内，液氦蒸发至氦容器3顶部，通过氦气回流管10，进入到氦液化罐14，氦气液化后再通过液氦进流管11流到氦容器3底部继续给超导线圈冷却降温，形成了一个封闭零蒸发的冷却回路，达到循环利用，零蒸发的作用。
可见，通过采用以上方案，本发明至少具有如下优点：
采用控制氦容器与超导线圈之间间距的方法，减少氦容器与超导线圈之间的间隙，可以减少液氦在氦容器中的灌入量，实现只需少量液氦即可达到较高的冷却液面高度，达到很好的冷却降温的效果。
氦容器周围缠绕液氮预冷管，可以提前对氦容器降温，提高对超导线圈的冷却效率。
在该发明装置中，液氦给超导线圈降温过程中，部分液氦会气化，蒸发至氦容器顶部，通过上端氦气回流管，进入氦液化罐，氦气液化后，通过氦气回流管流入到氦容器底部，继续给超导线圈冷却降温。这一种封闭的冷却回路，可以反复循环利用，并且过程中液氦是零蒸发，无损失。可以有效的提高液氦冷却利用率。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：包括多组超导线圈，线圈骨架，氦容器，液氦进流管，氦气回流管，制冷机，液氮预冷管，冷屏，多层绝热，磁体杜瓦，拉杆，电流引线，波纹管；
所述多组超导线圈缠绕在线圈骨架上，通过上端的电流引线部件通入电流，产生磁场；所述氦容器的形状为环绕超导线圈圆柱的腔体；
所述多组超导线圈和线圈骨架装配在氦容器内，通过控制超导线圈与氦容器之间间距，使得在氦容器中通入少量液氦即可达到预定位置液面高度，所述少量液氦是指小于10L，超导线圈下部通过液氦浸泡方式冷却，超导线圈未被浸泡的部分通过传导方式冷却；
在氦容器外围缠绕液氮预冷管；磁体杜瓦上方装有两台制冷机，制冷机一级冷头与冷屏连接，二级冷头与氦液化罐连接；氦气回流管连接到氦液化罐上部，氦气由制冷机二级冷头液化后，通过液氦进流管流到氦容器底部。
2.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：所述超导线圈与氦容器之间留有间隙，间隙为3mm-15mm。
3.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：所述氦容器内液氦液面同时浸没多组超导线圈底部，浸没高度为90mm-100mm。
4.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：所述氦容器装配在冷屏中氦容器和冷屏通过拉杆机构，装配固定在磁体杜瓦中。
5.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：所述冷屏外围包裹多层绝热。
6.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：所述氦容器上端装有氦气回流管，氦液化罐下方连接液氦进流管，管线数量为1条或多条。
7.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：液氦进流管直径为2mm-5mm。
8.根据权利要求1所述的一种节省液氦的零蒸发超导磁体系统，其特征在于：
在降温时先在液氮预冷管通入液氮将磁体冷却到液氮温度，然后将液氮吹除，使用制冷机将磁体系统冷却到液氦温度。
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