CN113555181B - 一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，包括第一换热器和第二换热器，低温介质从第二换热器流向第一换热器，高温介质从第一换热器流向第二换热器，所述第二换热器能够改变内部低温介质的含量，高温介质在第二换热器内被低温介质冷却，所述高温介质通过管道引出与超导磁体换热。本发明的优点在于：通过气体换热实现超导磁体的快速冷却；并能够通过改变第二换热器内低温介质的含量，改变参与换热的低温介质的量，从而能够控制高温介质离开第二换热器时的温度，实现对高温介质温度的精确控制，通过高温介质与超导磁体换热降温，间接实现了对超导磁体温度的控制，满足控制超导磁体温度的使用需求。

Description

一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统

技术领域

本发明涉及超导磁体低温冷却技术领域，尤其涉及一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统。

背景技术

超导磁体目前已被广泛用于高磁场强度、核聚变、超导发电、生物医疗等领域中。由于超导线圈需要在极低温度下才能产生超导效应，因此必须给超导磁体提供超低温条件。而将其由常温冷却至低温需要消耗大量资源，带来经济损耗，并且还需在满足热应力的条件下尽可能提高降温和升温速率，确保磁体自身安全。因此采取有效合理的超导磁体冷却系统是必不可少的。

目前普遍使用的浸泡式冷却，采用液氦池浸泡，并将生成的液氦回收再冷凝利用的方法进行直接冷却，需要消耗大量的低温液体，并且要持续补充，操作比较复杂。制冷机冷却法将制冷机的冷端与磁体使用金属导热带等固体连接，通过导热冷却磁体，制冷机需要与磁体距离很近，运行振动、冷却效果不均匀以及电磁干扰等问题比较突出，对于大型超导磁体没有普及。迫流冷却方式将制冷剂以强迫对流的方式实现与磁体的换热，但对所选用的氦流状态需要综合考虑。

为降低成本，大型超导磁体降温过程一般分为两个阶段，第一阶段预冷：利用液氮等消耗性的制冷剂，将超导磁体冷却至80K左右；第二阶段深度降温：将一定量的液氦等制冷剂加入到超导磁体中，将超导磁体冷却到4.2K左右。为了使磁体系统能安全的实现降温过程,预冷过程中需要保证磁体和流体的最大温差都不能超过50K。此外降温时间要尽可能缩短，这就对预冷降温过程提出了更苛刻的要求。

公开号为CN108109806A的发明专利申请公开了一种超导磁体装置，通过冷却介质在多个不同温度的冷却头之间的流动，降低超导磁体的预冷时间，但是其无法准确的调整冷却后的超导磁体的温度，不能满足超导磁体预冷的使用需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种方便调整预冷温度的迫流循环预冷系统。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，包括第一换热器和第二换热器，低温介质从第二换热器流向第一换热器，高温介质从第一换热器流向第二换热器，所述第二换热器能够改变内部低温介质的含量，高温介质在第二换热器内被低温介质冷却，所述高温介质通过管道引出与超导磁体换热。

本发明将高温介质在第一换热器内与低温介质进行换热后被冷却，然后再进入第二换热器内与低温介质进行换热，由此提高换热效率，实现超导磁体的快速冷却；高温介质在第二换热器内的换热时间更长，能够被冷却至接近低温介质的温度，并能够通过改变第二换热器内低温介质的含量，改变参与换热的低温介质的量，从而控制高温介质离开第二换热器时的温度，实现对高温介质温度的精确控制，通过高温介质与超导磁体换热降温，间接实现了对超导磁体温度的控制，满足控制超导磁体温度的使用需求。

优选的，所述高温介质为气体。

优选的，所述低温介质常温下为气体，进入第二换热器时为液体，进入第一换热器时为气体。

优选的，所述第二换热器包括筒体和固定于筒体内的换热单元，所述高温介质从换热单元内部流过，所述低温介质处于筒体内，筒体上设置有第一电加热器。

优选的，所述换热单元内设置有吸附剂。

优选的，所述第一换热器为板式换热器，换热单元为翅片换热器，低温介质为液氮、高温介质为氦气。

优选的，所述筒体上设置有差压液位计，筒体上端设置有供液氮进入的进液管，所述进液管上设置有低温调节阀。

优选的，所述换热单元上端设置有与第一换热器连接的第二高温进气管，换热单元下端设置有第二高温出气管，所述第二高温出气管上设置有温度计和压力计和第二电加热器。

优选的，所述高温介质通过循环风机导入到第一换热器内，所述循环风机的进出口位置设置有一段波纹管。

优选的，所述循环风机的出风口还设置有回温管，所述回温管连接至第二电加热器的上游，氦气经过回温管和第二电加热器后与超导磁体换热。

本发明提供的用于超导磁体的迫流循环预冷系统的优点在于：高温介质在第一换热器内与低温介质进行换热后被冷却，然后再进入第二换热器内与温度更低的低温介质进行换热，由此提高换热效率，实现超导磁体的快速冷却；并能够通过改变第二换热器内低温介质的含量，改变参与换热的低温介质的量，从而能够控制高温介质离开第二换热器时的温度，实现对高温介质温度的精确控制，通过高温介质与超导磁体换热降温，间接实现了对超导磁体温度的控制，满足控制超导磁体温度的使用需求。以气体为冷量传递介质，通过强迫对流换热完成超导磁体冷却，超导磁体温度均匀性较高；以液氮为冷源，减小传统冷却方法中液氦等低温液体的损耗，大量节省资源、降低成本；采用循环风机来控制稳定氦气流速，具有较快的冷却速率，避免了采用制冷机冷却方式带来的运行振动、冷却效果不均匀以及电磁干扰等问题；输出温度连续可调，能实现氦气控温范围为80K-320K，并且可以根据超导磁体的温度信号自适应调节，保持超导磁体自身最大温差不大于30K；能对超导磁体实现回温功能；采用装有吸附剂的翅片换热器，换热效果增强，降低了超导磁体的冷却时间，并且整体结构紧凑；能在降温的同时，将与磁体换热后受到污染的氦气进行纯化，确保氦气纯度不低于99.999％。

附图说明

图1为本发明的实施例提供的用于超导磁体的迫流循环预冷系统的示意图；

图2为本发明的实施例提供的用于超导磁体的迫流循环预冷系统的真空筒体示意图；

图3为本发明的实施例提供的用于超导磁体的迫流循环预冷系统的真空筒体剖视图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

如图1所示，本实施例提供了一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，包括第一换热器1和第二换热器2，低温介质从第二换热器2流向第一换热器1，高温介质从第一换热器1就像第二换热器2，所述第二换热器2能够改变内部低温介质的含量，高温介质在第二换热器2内被低温介质冷却，所述高温介质通过管道引出与超导磁体换热。

本实施例中将高温介质在第一换热器1内与低温介质进行换热后被冷却，然后再进入第二换热器2内与低温介质进行换热，由此提高换热效率，实现超导磁体的快速冷却；高温介质在第二换热器内的换热时间更长，能够被冷却至接近低温介质的温度，并能够通过改变第二换热器2内低温介质的含量，改变参与换热的低温介质的量，从而控制高温介质离开第二换热器2时的温度，实现对高温介质温度的精确控制，通过高温介质与超导磁体换热降温，间接实现了对超导磁体温度的控制，满足控制超导磁体温度的使用需求。

其中第一换热器1和第二换热器可以适应性的选择现有的换热设备，超导磁体的冷却温度较低，因此低温介质一般为液态的气体，高温介质为气体，根据使用要求选择性能稳定的气体即可。

具体的，所述第一换热器1为板式换热器、第二换热器2包括筒体21和固定于筒体内的换热单元22，所述换热单元22为翅片换热器，低温介质为液氮，高温介质为氦气，所述液氮通过进液管23进入筒体21内，在筒体21内与换热单元22内的氦气换热后蒸发从上方离开筒体21进入第一换热器1，所述第一换热器1内设置有两个独立的气体流动空间，供氦气和氮气流过换热。

所述第一换热器1和第二换热器2处于一真空筒体3内，所述真空筒体3具有能够活动打开的盖板31，真空筒体3上设置有抽空阀32，所述第一换热器1和第二换热器2可以通过支架固定于真空筒体3的底部，或悬吊于盖板31下方，或通过连杆、支架等结构与真空筒体3的侧壁固定；所述真空筒体3的上部具有法兰，盖板31与法兰螺接固定，盖板31与真空筒体3之间设置有密封圈，结合图2，所述真空筒体3外侧设置有吊耳33，底部设置有滚轮34，以便于吊装固定和移动。为了减少漏热，系统内的第一换热器1、第二换热器2以及气体和液体管道上，均可根据需要包裹绝热层。

所述换热单元22通过支撑板与筒体21固定连接，使换热单元22呈悬浮状态固定于筒体21内，方便换热单元22内的高温介质与筒体21内的低温介质换热。换热单元22的翅片材料为铜，筒体21的材料为不锈钢，通过银钎焊的方式固定连接铜环和不锈钢筒体；本实施例中，翅片高20mm，翅片厚4mm，翅片间距为8mm，以增大翅片外表面与液氮的沸腾换热系数，换热单元22浸入到液氮中，通过改变液氮的液面高度，能够调节氦气出口温度。氦气在与超导磁体换热过程中会受到污染，氦气中会含有部分杂质，在换热单元22内还添加有吸附剂，对氦气进行纯化，所述吸附剂可以使用活性炭、沸石分子筛等。

结合图2和图3，所述盖板31上设置有循环风机35，氦气在循环风机35的驱动下进入该循环，以保证较大的流量供应，所述循环风机35的进风口和出风口分别设置有一段波纹管36，以降低循环风机35振动对管道的影响。

本实施例提供的迫流循环系统冷却超导磁体的方法如下：首先通过真空泵作用与抽空阀32，对真空筒体3抽真空，真空度降低至5×10-3Pa以下，关闭抽空阀32；打开循环风机，将与超导磁体换热的氦气引入系统，氦气进入第一换热器1与在第二换热器2内换热后气化的低温氮气进行第一次换热，之后氮气从第一换热器1内排出，氦气进入第二换热器2内部的换热单元22内，液氮沿进液管23进入筒体21内，氦气从翅片换热器22上端的第二高温进气管24进入到翅片换热器22内，并从下端的第二高温出气管25离开，在第二高温出气管25上设置温度计和压力计，检测氦气离开第二换热器2时的温度，如果温度未降至要求的温度，则可以进一步增加筒体21内的液氮高度，直到氦气温度符合要求为止，同样的，如果温度过低，则可对筒体21内的液氮进行加热以促使其蒸发气化，降低液氮高度，因此筒体21上还可以设置第一电加热器211，以主动加热液氮，从而快速降低筒体21内的液氮高度，在冷却完成后，可以通过加热筒体21将液氮全部排出；同时在第二高温出气管25上还可以设置第二电加热器251，从而适当提高低温氦气的温度，以确保超导磁体被冷却到合适的温度。

本实施例通过氦气和液氮的换热，能够实现氦气控温范围为80K-320K，则超导磁体的预冷温度也大致在这一范围内。被冷却后的氦气进入到恒温器(图未示)内，在恒温器内通过对流换热的方式与超导磁体换热，以均匀的对超导磁体进行冷却，超导磁体自身最大温差不超过30度。

为了方便氦气温度的自适应调节，还设置有检测筒体21内液面高度的差压液位计26，进液管23上设置有电磁阀，通过采集第二高温出气管25内的氦气温度，并与设定的温度进行比较，如果温差较大，则直接打开第一电加热器251或进液管23上的电磁阀以调整筒体21内的液面高度，在氦气温度接近设定温度时，将逐渐降低加热量或进液量，直到氦气温度稳定到设定温度的允许偏差范围内，从而能够通过差压液位计26、第一电加热器251、进液管23上的电磁阀以及检测氦气出气温度的温度计实现对氦气出气温度的自适应调节，使精确的控制氦气的出气温度以及超导磁体的预冷温度。

所述第一换热器1上的氮气进出气管和氦气进出气管上分别设置有温度计和压力计，以检测介质的温度变化情况以及流量，同时还分别设置有检测氮气和氦气经过第一换热器1之后压力变化情况的差压变送器，将氦气从第一换热器1导入到第二换热器2的第二高温进气管24上还设置有检测气体流量的流量计。

另外，本实施例提供的迫流循环预冷系统还能实现超导磁体的加热回温，由于氦气与超导磁体的换热是在恒温器内对流换热进行的，无法直接在恒温器内进行加热，需要对超导磁体加热回温时，先通过循环风机35将氦气抽送到系统内，在循环风机的出风口还连接有一回温管341，所述回温管341连接至第二电加热器251的上游，通过调节各管道上的阀门状态，使氦气从循环风机35直接进入回温管341后经过第二电加热器251加热回到恒温器内，高温氦气与超导磁体对流换热，实现回温功能。

本实施例提供的迫流循环预冷系统能够用于大型超导磁体的预冷，以气体为冷量传递介质，通过强迫对流换热完成超导磁体冷却，超导磁体温度均匀性较高；以液氮为冷源，减小传统冷却方法中液氦等低温液体的损耗，大量节省资源、降低成本；采用循环风机来控制稳定氦气流速，具有较快的冷却速率，避免了采用制冷机冷却方式带来的运行振动、冷却效果不均匀以及电磁干扰等问题；输出温度连续可调，能实现氦气控温范围为80K-320K，并且可以根据超导磁体的温度信号自适应调节，保持超导磁体自身最大温差不大于30K；能对超导磁体实现回温功能；采用装有吸附剂的翅片换热器，换热效果增强，降低了超导磁体的冷却时间，并且整体结构紧凑；能在降温的同时，将与磁体换热后受到污染的氦气进行纯化，确保氦气纯度不低于99.999％。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：包括第一换热器和第二换热器，低温介质从第二换热器流向第一换热器，高温介质从第一换热器流向第二换热器，所述第二换热器能够改变内部低温介质的含量，高温介质在第二换热器内被低温介质冷却；所述高温介质通过管道引出与超导磁体换热；所述高温介质为气体；所述低温介质进入第二换热器时为液体，进入第一换热器时为气体。

2.根据权利要求1所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述第二换热器包括筒体和固定于筒体内的换热单元，所述高温介质从换热单元内部流过，所述低温介质处于筒体内，筒体上设置有第一电加热器。

3.根据权利要求2所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述换热单元内设置有吸附剂。

4.根据权利要求2所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述第一换热器为板式换热器，换热单元为翅片换热器，低温介质为液氮、高温介质为氦气。

5.根据权利要求4所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述筒体上设置有差压液位计，筒体上端设置有供液氮进入的进液管，所述进液管上设置有低温调节阀。

6.根据权利要求5所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述换热单元上端设置有与第一换热器连接的第二高温进气管，换热单元下端设置有第二高温出气管，所述第二高温出气管上设置有温度计和压力计和第二电加热器。

7.根据权利要求5所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述高温介质通过循环风机导入到第一换热器内，所述循环风机的进出口位置设置有一段波纹管。

8.根据权利要求7所述的一种用于超导磁体的迫流循环预冷系统，其特征在于：所述循环风机的出风口还设置有回温管，所述回温管连接至第二电加热器的上游，氦气经过回温管和第二电加热器后与超导磁体换热。

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