CN113406142A - 一种自循环低温热管的热性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，包括旋转支架(1)、双屏低温恒温器(7)、冷源和电流引线(15)；旋转支架(1)与双屏低温恒温器(7)连接，双屏低温恒温器(7)包括一真空室(17)，真空室(17)的顶部设有常温法兰(8)、内部设有外冷屏(9)，外冷屏(9)的顶法兰(10)安装在常温法兰(8)上；电流引线(15)的常温端安装在常温法兰(8)上、低温端安装在顶法兰(10)上；电流引线(15)的低温端经顶法兰(10)与超导段(16)的一端连接，超导段(16)的另一端用于与被测设备连接；冷源的常温端与常温法兰(8)连接、一级制冷部分经导冷结构(20)与顶法兰(10)连接。

Description

一种自循环低温热管的热性能测试平台

技术领域

本发明涉及一种自循环低温热管的热性能测试平台，尤其是采用低温热管作为热传导方式的超导磁铁用在低温环境的热性能测试，属于低温热管的热性能测试技术领域。

背景技术

超导磁铁是高性能电子加速器器的重要设备，当超导磁铁在处于室温时表现为常规导体，磁铁内部存在电阻。当超导磁铁被冷却到9K以下温度，超导磁铁就进入超导态，表现为磁铁内部电阻为零，可以通过600A或者2kA高电流，但是发热量低于1W。为保持超导磁铁的超导态，需要将超导磁铁放置在一个低温恒温器内部，低温恒温器的外表面为室温，与超导磁铁接触部分为9K以下低温，低温恒温器能维持超导磁铁长时间运行在低温环境。

为了将超导磁铁维持在9K以下温度，需要有良好的换热设备将超导磁铁与冷源间的热交换建立起来，进而将重达数吨的超导磁铁冷却在其超导态。液氦温区低温热管作为一种高效的换热设备，其工作温区在3K～5K，其一端与冷源相连，一端与超导磁铁的导冷端相连，能够快速将冷源的低温传递到超导磁铁，也能够快速将超导磁体产生的热量传递到冷源，进而维持超导磁铁处于9K以下温度环境。液氦温区低温热管的热性能与材料本身、设计结构和所处的磁场环境密切相关。目前低温热管工作温区处于80K以上温度，采用液氮进行热性能测试，不能满足极低温60K以下的测试要求，且受极低温的限制，实测试验较少。

发明内容

本发明研制一种自循环低温热管的热性能测试平台，以解决目前不能满足9K温度以下的长时间、极低温测试要求，不能满足多尺寸、不同安装角度和带电流引线的试验的问题。本发明能够用于自循环低温热管在9K以下温度进行的长时间极低温环境和不同安装角度的热性能测试。

本发明采取的技术方案是：

一种自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，包括旋转支架1、双屏低温恒温器7、冷源和电流引线15；

所述旋转支架1与所述双屏低温恒温器7连接，用于支撑所述双屏低温恒温器7以及驱动所述双屏低温恒温器7旋转；

所述双屏低温恒温器7包括一真空室17，真空室17的顶部设有常温法兰8，真空室17的内部设有外冷屏9，外冷屏9的顶法兰10通过支撑件11安装在常温法兰8上；

电流引线15的常温端安装在常温法兰8上，电流引线15的低温端安装在顶法兰10上；电流引线15的低温端经顶法兰10与超导段16的一端连接，超导段16的另一端用于与被测设备连接；

所述冷源的常温端与常温法兰8连接、所述冷源的一级制冷部分经若干导冷结构20与顶法兰10连接。

进一步的，外冷屏9的内部设有内冷屏12，内冷屏12的顶法兰13通过支撑件14安装在顶法兰10上，所述冷源的低温端与内冷屏12的顶法兰13直接硬连接；所述超导段16的另一端经内冷屏12的顶法兰13延伸到内冷屏12内，用于与内冷屏12内的被测设备连接。

进一步的，所述冷源的常温端与常温法兰8之间设有减震弹簧；所述冷源的一级制冷部分经一连接件与顶法兰10非接触式密封连接。

进一步的，所述旋转支架包括驱动电机、变速箱、支撑架、旋转轴和承重固定支撑脚；其中，所述支撑架的底部设有多个所述承重固定支撑脚，所述支撑架的顶部设有用于与所述双屏低温恒温器连接的所述旋转轴，所述驱动电机经所述变速箱与所述旋转轴连接。

进一步的，所述电流引线15的常温端为铜电缆，所述电流引线15的低温端为高温超导电缆。

进一步的，所述电流引线15的低温端经顶法兰10上设置的固体陶瓷氮化铝与所述超导段16连接，实现顶法兰10与电流引线的热连接和电绝缘。

进一步的，所述导冷结构20为多对爪式导冷结构；所述外冷屏9的筒体通过多对长软体高热导率的编织带与顶法兰10连接。

进一步的，顶法兰10上布置多个加热薄片，用于调整外冷屏温度范围。

进一步的，所述外冷屏9为40K铝屏；所述内冷屏12为4K铜屏。

进一步的，所述电流引线15的外侧包裹若干层绝缘胶。

本发明的自循环低温热管的热性能测试平台包括有旋转支架、双屏低温恒温器、4K冷源和电流引线四部分。旋转支架作为双屏低温恒温器的支撑和固定架，并作为双屏低温恒温器的0-90°连续旋转的平台；双屏低温恒温器是自循环低温热管的隔热屏障和运行空间；4K冷源为自循环低温热管提供和维持9K以下温度；电流引线为超导磁铁提供电流输入，以满足自循环液氦低温热管在不同尺寸和运行条件在低温的环境下的测试需求。

旋转支架作为双屏低温恒温器支撑装置，整体尺寸高度为900mm，底部所占区域为长宽600x400mm的长方形区域，并具有电机驱动的旋转机构，该旋转机构能够实现0-90°的连续自动旋转。双屏低温恒温器整体尺寸高度为1200mm，底部所占区域为直径为800mm的圆形区域，从里到外的主要部件有4K铜屏，40K铝屏和外真空筒体以及外真空筒体顶法兰。4K冷源为一低温制冷机，能够长时间提供4K温度，主要包括冷头、外部压缩机、金属软管和冷水机组构成。电流引线为安装在双屏低温恒温器内的超导磁铁提供电力，电流引线由常温铜电缆和高温超导电缆两部构成，通过外端子与直流电源连接。

本发明双屏低温恒温器在真空室内有两个冷屏和一个真空室，内冷屏为4K温度，外冷屏为40K温度。

本发明的整个双屏低温恒温器通过真空室筒体上的旋转支撑点与外部支架连接。

本发明采用定速伺服电机作为旋转动力，通过减速箱实现降速，实现双屏低温恒温器的真空室转动和实现缓慢角度变化，通过设定旋转角度和定位器确定双屏低温恒温器的真空室的旋转角度。

本发明所述的真空室上法兰有一个冷头接口、一个自循环热管注气接口、两个电流引线绝缘子接口、一个温度传感器测量线接口、一个真空安全阀、一个抽真空接口和一个压力传感器引出接口；抽真空接口与外部真空泵组通过管路连接；冷头通过金属软管与外部压缩机连接；温度传感器测量线接口与外部温度测试仪通过信号线连接；压力传感器接口与测量压力的设备通过管路连接。

本发明所述电流引线与真空室的电流引线绝热子接口是活密封结构。

本发明所述外冷屏与冷屏法兰通过软铜带软连接。

本发明所述外冷屏法兰与低温制冷机一级冷头通过铜板硬连接。

本发明的优点：

本发明是采用分体结构，便于拆卸和自循环液氦温区热管的安装，便于拆卸冷屏。本发明的外冷屏顶法兰通过8对爪式导冷结构与冷源的连接，以及外冷屏筒体通过8对长软体高热导率的编织带(RRR＝100)与外冷屏顶法兰连接，从而保证外冷屏的筒体与顶法兰处于同一温度，然后通过外冷屏顶法兰三角布置加热薄片，调整外冷屏温度范围，实现外冷屏可以满足90K～40K的跨温区的温度测试，同时，8对长软体高热导率的编织带与外冷屏顶法兰活接，方便拆卸。内冷屏采用整体方形设计，材料选用RRR＝100的高热导率的铜材，内冷屏顶法兰与冷源直接硬连接，在内冷屏顶法兰设置三角布置形式的加热器，实现4K-10K的极低温的温度环境调节，真空室措施保障长时间稳定在10^-5Pa量级的真空环境。驱动电机通过设定的旋转角度，输出功率到变速箱，变速箱将驱动电机的机械能转变为旋转动力输出到旋转轴，旋转轴与双屏低温恒温器相连接，旋转轴的角动能输出到双屏低温恒温器上，驱动双屏低温恒温器旋转，从而实现不同角度和旋转速度的测试。本发明的真空室通过能够实现0～90°全自动平稳旋转，通过在编制的控制程序上设定0～90°的任意角度，即可实现低温恒温器的旋转到设定的角度。在恒温器旋转过程中，通过安装在支架上和恒温器上的位移探测器，可以实时显示低温恒温器旋转的角度，然后将测试到的角度反馈到控制程序，以此实现低温恒温器以0.05m/s的均速旋转到设定角度，从而防止低温恒温器旋转过程中影响被测件的机械稳定性。当低温恒温器旋转角度超过设定角度+0.01°，控制程序即发出指令断开驱动电机与变速箱之间的连接，实现超角度自动保护自锁。

附图说明

图1为本发明整体正视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明剖视图；

图5为爪式导冷结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1～图5所示，一种自循环低温热管的热性能测试平台，包括有旋转支架1，旋转支架1分别配有驱动电机2、变速箱3、支撑架4、旋转轴5和承重固定支撑脚6，通过旋转轴5与双屏低温恒温器7相连接(旋转轴5与双屏低温恒温器7的侧壁相连接，即旋转轴5分为两段，左侧的轴不转动，右侧轴旋转带动恒温器7旋转)。双屏低温恒温器7的顶部设有常温法兰8，双屏低温恒温器7的内部设有外冷屏9，其为40K铝屏，外冷屏9的顶法兰10通过支撑件11安装在常温法兰8上，外冷屏9的内部设有内冷屏12，其为4K铜屏，内冷屏12的顶法兰13通过支撑件14安装在外冷屏9的顶法兰10上。电流引线15的常温端部分安装在常温法兰8上，电流引线15的低温端部分安装在外冷屏9的顶法兰10上，为防止电流击穿，在电流引线15的常温部分和低温部分包裹2层绝缘胶。电流引线15的超导段16一端与外冷屏9的顶法兰10连接，另一端用于与位于内冷屏内的被测设备(比如待测的低温热管)连接。电流引线15低温端和超导段16在与顶法兰10的连接是通过固体陶瓷氮化铝连接，实现顶法兰10与电流引线的热连接和电绝缘。双屏低温恒温器7的真空室17外筒壁上安装有真空密封阀18和抽真空口19。爪式导冷结构20上端与冷源一级连接，下端与外冷屏9的顶法兰10连接。

只需要在40K～60K温区进行设备测试时，可以去除内冷屏12及顶法兰13、支撑件14，直接在外冷屏9内对被测设备进行测试。

驱动电机2通过设定的旋转角度，输出功率到变速箱3，变速箱3将驱动电机2的机械能转变为旋转动力输出到旋转轴5，旋转轴5与双屏低温恒温器7相连接，旋转轴5的角动能输出到双屏低温恒温器7上，驱动双屏低温恒温器7旋转，从而实现不同角度和旋转速度的测试。电流引线15由常温铜电缆和高温超导电缆两部构成，通过电流引线15的常温端部分安装在常温法兰8与直流电源连接，将外部电流输送到高温超导电缆进行电流输送，实现0～90°全自动平稳旋转。

双屏低温恒温器7的真空室17为40K铝屏9和4K铜屏12提供降温和测试的绝热环境，旋转支架1在长时间的低温测试时提供机械支撑。双屏低温恒温器7内的被测件上下两端都设置有测温器、测压和加热装置。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，包括旋转支架(1)、双屏低温恒温器(7)、冷源和电流引线(15)；

所述旋转支架(1)与所述双屏低温恒温器(7)连接，用于支撑所述双屏低温恒温器(7)以及驱动所述双屏低温恒温器(7)旋转；

所述双屏低温恒温器(7)包括一真空室(17)，真空室(17)的顶部设有常温法兰(8)，真空室(17)的内部设有外冷屏(9)，外冷屏(9)的顶法兰(10)通过支撑件(11)安装在常温法兰(8)上；

电流引线(15)的常温端安装在常温法兰(8)上，电流引线(15)的低温端安装在顶法兰(10)上；电流引线(15)的低温端经顶法兰(10)与超导段(16)的一端连接，超导段(16)的另一端用于与被测设备连接；

所述冷源的常温端与常温法兰(8)连接、所述冷源的一级制冷部分经若干导冷结构(20)与顶法兰(10)连接。

2.如权利要求1所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，外冷屏(9)的内部设有内冷屏(12)，内冷屏(12)的顶法兰(13)通过支撑件(14)安装在顶法兰(10)上，所述冷源的低温端与内冷屏(12)的顶法兰(13)直接硬连接；所述超导段(16)的另一端经内冷屏(12)的顶法兰(13)延伸到内冷屏(12)内，用于与内冷屏(12)内的被测设备连接。

3.如权利要求1所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述冷源的常温端与常温法兰(8)之间设有减震弹簧；所述冷源的一级制冷部分经一连接件与顶法兰(10)非接触式密封连接。

4.如权利要求1或2或3所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述旋转支架包括驱动电机、变速箱、支撑架、旋转轴和承重固定支撑脚；其中，所述支撑架的底部设有多个所述承重固定支撑脚，所述支撑架的顶部设有用于与所述双屏低温恒温器连接的所述旋转轴，所述驱动电机经所述变速箱与所述旋转轴连接。

5.如权利要求1或2或3所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述电流引线(15)的常温端为铜电缆，所述电流引线(15)的低温端为高温超导电缆。

6.如权利要求1或2或3所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述电流引线(15)的低温端经顶法兰(10)上设置的固体陶瓷氮化铝与所述超导段(16)连接，实现顶法兰(10)与电流引线的热连接和电绝缘。

7.如权利要求1或2或3所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述导冷结构(20)为多对爪式导冷结构；所述外冷屏(9)的筒体通过多对长软体高热导率的编织带与顶法兰(10)连接。

8.如权利要求7所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，顶法兰(10)上布置多个加热薄片，用于调整外冷屏温度范围。

9.如权利要求1所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述外冷屏(9)为40K铝屏；所述内冷屏(12)为4K铜屏。

10.如权利要求1所述的自循环低温热管的热性能测试平台，其特征在于，所述电流引线(15)的外侧包裹若干层绝缘胶。

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