CN113628827A - 一种传导冷却超导磁体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传导冷却超导磁体，包括低温容器、冷屏、骨架、超导线圈、超导线缆、电流引线、设于所述冷屏外侧用以冷却所述冷屏的冷头一级以及设于所述冷屏内侧用以冷却所述超导线圈的冷头二级，所述超导线圈的超导接头之间连接有开关引线和超导开关，所述冷头一级和所述冷头二级之间设有热传导连接所述冷头一级的换热转换块，所述换热转换块开设换热通孔，所述换热通孔穿设气体换热管，所述骨架的周部绕制有连通所述气体换热管的金属管路。本发明所提供的传导冷却超导磁体提升了超导线圈及骨架的冷却能力，满足大电流状态下超导线圈的闭环运行需求。

Description

一种传导冷却超导磁体

技术领域

本发明涉及超导领域，特别涉及一种传导冷却超导磁体。

背景技术

超导材料有两个重要的特性，一个是它的抗磁特性，即迈斯纳效应，另一个是它的零电阻特性。超导材料制作的闭路线圈，在超导临界转变温度以下无电阻运行，产生稳定的磁场，在被测物中激励出核磁共振信号。超导磁体是指在低温条件下使用具有高转变温度和临界磁场特别高的第二类超导体制成线圈的一种电磁体。它的主要特点是无导线电阻产生的电损耗，也没有因铁芯存在而产生的磁损耗，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

如图1所示，目前超导磁体包括低温容器3、冷屏4、超导线圈7、电流引线2、超导线缆5和冷头等组成，低温容器3和冷屏4之间形成真空夹层，超导线圈7和骨架8设置在冷屏4内，通过超导线缆5与电流引线2连接，借助冷头一级12对冷屏4进行冷却，仅利用冷头二级14对超导线圈7和骨架8降温。存在超导线圈7降温速度慢，磁体励磁后，需要电源一直供电，当超导线圈7电流过高时(如400A以上时)，很难实现超导线圈7的闭环运行。

如何加快超导线圈的冷却，实现超导线圈大电流状态下的闭环运行成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种传导冷却超导磁体，该传导冷却超导磁体能够提高超导线圈及骨架的冷却能力，满足大电流状态下超导线圈的闭环运行需求。

为实现上述目的，本发明提供一种传导冷却超导磁体，包括低温容器、冷屏、骨架、超导线圈、超导线缆、电流引线、设于所述冷屏外侧用以冷却所述冷屏的冷头一级以及设于所述冷屏内侧用以冷却所述超导线圈的冷头二级，所述超导线圈的超导接头之间连接有开关引线和超导开关，所述冷头一级和所述冷头二级之间设有热传导连接所述冷头一级的换热转换块，所述换热转换块开设换热通孔，所述换热通孔穿设气体换热管，所述骨架的周部绕制有连通所述气体换热管的金属管路。

可选地，所述金属管路焊接于所述骨架的端盖。

可选地，所述金属管路沿所述端盖呈蛇形弯曲布置。

可选地，所述超导开关与所述骨架之间设有绝缘导热的开关连接块。

可选地，所述冷屏的腔体内设有储气罐，所述储气罐连通所述金属管路。

可选地，所述储气罐的顶端与所述冷屏之间设置拉杆，和/或，所述储气罐的底端和所述冷屏之间设置支杆。

可选地，还包括连接所述储气罐、穿过所述冷屏及所述低温容器并延伸至所述低温容器的外部的补气管。

可选地，所述冷头二级与所述骨架的隔板之间连接导热件。

可选地，所述储气罐内的冷却气体的压力小于等于0.1MPa。

可选地，所述换热转换块与所述气体换热管、所述气体换热管与所述金属管路摩擦焊接。

相对于上述背景技术，本发明借助换热转换块与冷头一级热传导连接，在冷头二级冷却超导线圈，冷头一级冷却冷屏的基础上，同时利用冷头一级对换热转换块冷却，而换热转换块借助换热通孔、气体换热管及金属管路形成循环的换热管路，气体换热管内的冷却气体在换热转换块处降温，气体换热管及金属管路内的冷却气体因上下密度差形成对流，加快金属管路对超导线圈及骨架的降温冷却速度，冷头一级不仅用于冷却冷屏，还配合冷头二级同时用于对骨架和超导线圈降温，提升超导线圈的降温速度，从而满足超导线圈的闭环运行需求。励磁完成后即可拆除励磁电源，使超导线圈利用开关线路和闭合状态的超导开关形成闭合回路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中传导冷却超导磁体的示意图；

图2为本发明实施例所提供的传导冷却超导磁体的示意图；

图3为超导线圈的冷却原理图；

图4为图3的右视图。

其中：

1-励磁电源、2-电流引线、3-低温容器、4-冷屏、5-超导线缆、6-超导接头、7-超导线圈、8-骨架、9-开关引线、10-超导开关、11-开关连接块、12-冷头一级、13-换热转换块、14-冷头二级、15-气体换热管、16-金属管路、17-储气罐、18-补气管、19-拉杆、20-支杆。

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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2至图4，图2为本发明实施例所提供的传导冷却超导磁体的示意图，图3为超导线圈的冷却原理图，图4为图3的右视图。

本发明所提供的传导冷却超导磁体包括低温容器3、冷屏4、骨架8、超导线圈7、骨架8及冷头，低温容器3和冷屏4之间形成真空夹层，骨架8和超导线圈7设置在冷屏4的中空腔体。外部励磁电源1通过电流引线2穿过低温容器3和冷屏4经超导线缆5连接于超导线圈7的超导接头6，冷头包括冷头一级12和冷头二级14，冷头一级12用来对冷屏4进行冷却降温，进一步地，为了提升对超导线圈7及骨架8的降温冷却速度，本申请进一步在冷头一级12和冷头二级14之间设置换热转换块13，换热转换块13与冷头一级12通过热传导换热，借助换热转换块13吸收冷头一级12冷量，对连接换热转换块13的气体换热管15内的冷却气体进行降温，冷却气体在气体换热管15和金属管路16内对流循环，冷却气体和金属管路16对流换热，金属管路16和骨架8及超导线圈7进行传导换热，且本申请通过换热转换块13连接冷头一级12，在冷头二级14冷却超导线圈的同时，利用冷头一级12通过换热转换块13、气体换热管15和金属管路16同时冷却超导线圈7，显著提升了超导线圈7的降温速度，满足大电流状态下超导线圈7的闭环运行需求。

在励磁过程中，超导开关10断开，外部的励磁电源1通过电流引线2连接超导线缆5，超导线缆5通过超导接头6连接超导线圈7；励磁完成后即可拆除外部的励磁电源1，超导开关10闭合，超导线圈7即能实现通过开关引线9和超导开关10实现闭环运行。电流引线2穿过低温容器3和冷屏4处根据位置自外向内依次划分为室温段、高温超导段和低温超导段。励磁电源1与超导线圈7的连接可进一步参考现有技术。

具体来说，换热转换块13安装在冷头一级12的下方。换热转换块13开设横向的换热通孔，气体换热管15穿过该换热通孔并焊接固定在换热转换块13上。气体换热管15与金属管路16连接成循环管路，循环管路内充注有冷却气体，金属管路16布设在骨架8及超导线圈7的周部。具体如图3和图4所示，金属管路16呈蛇形弯曲焊接在骨架8两端的端盖上，骨架8两端的金属管路16沿骨架8的轴向连通，换热转换块13和气体换热管15优选采用摩擦焊接的方式焊接固定，气体换热管15和金属管路16同样可采用摩擦焊接的方式焊接。超导线圈7绕制在骨架8的相邻隔板之间，具体可以采用干扰、湿绕或者真空灌胶等方式的任意一种。

金属管路16焊接固定在骨架8的端盖处，通过蛇形弯曲的绕制方式增大了金属管路16与骨架8的接触面积，提高对骨架8的冷却速度，在金属管路16相对骨架8的绕制方式可根据需要灵活调整，本申请并不做具体限制。

开关连接块11固定在骨架8一端的端盖上，主要起到绝缘和导热和作用，开关连接块11材质采用氮化铝，超导开关10和骨架8可以采用螺栓固定，也可以采用树脂固化进行固定。

进一步地，冷头二级14和骨架8的隔板之间连接有导热件，导热件优选采用软铜线，多根软铜线的一端连接冷头二级14，另一端连接在骨架8的隔板上，借助冷头二级14和软铜线对骨架8的隔板进行热传导降温，有助于提升超导线圈7的降温速度。

基于对上述实施例的理解，本申请所提供的传导冷却超导磁体进一步包括设置在冷屏4的腔体内的储气罐17，储气罐17与金属管路16连通，用来向金属管路16内补气，保证金属管路16与气体换热管15构成的循环管路内循环的冷却气体充足，保证对超导线圈7的冷却能力。储气罐17内储存有氮气或者氮气与氖气的混合气体，储气罐17内的冷却气体的压力维持在0.1MPa以下。

可通过在储气罐17的顶端与冷屏4之间设置拉杆19，借助拉杆19将储气罐17悬挂固定；亦可以在储气罐17的底端与冷屏4之间设置支杆20，利用支杆20将储气罐17支撑固定；或者同时借助支杆20和拉杆19固定储气罐17，提高储气罐17固定的可靠性，拉杆19和支杆20均与冷屏4热连接。

作为优选地，储气罐17还连接有补气管18，补气管18依次穿过冷屏4和低温容器3，补气管18的末端延伸至低温容器3的外部，以便于在储气罐17内压力过低，气体换热管15和金属管路16内循环的冷却气体流量显著减少时向储气罐17及金属管路16内补充冷却气体。此外，补气管18也一定程度地起到对储气罐17的固定作用。

具体运行过程如下：开启冷头后，冷头一级12的冷量和冷头二级14的冷量，可以同时提供给骨架8，通过骨架8再热传导至超导线圈7，从而实现对超导线圈7的冷却。其中，冷头一级12的冷量通过换热转换块13热传导至气管换热管的管壁，然后与气体换热管15中的冷却气体对流换热；同时利用自然对流对金属管路16冷却，金属管路16通过热传导冷却骨架8及超导线圈7。冷头二级14通过软铜线，给骨架8降温。降温至64K(仅充氮气时)或23K(充装氮气和氖气的混合气体)以下时，管路中的冷却气体将凝固结冰，冻结在金属管路16中。从而切断了冷头一级12和骨架8的传热，降低了漏热，达到热开关的作用。

传导冷超导磁体通常用冷头二级14通过热连接直接冷却超导线圈7，会造成工艺复杂、成本高昂。本申请将冷头二级14的4K温区冷量通过软铜线热连接至超导磁体的骨架8上，骨架8通过热传导将冷量传至超导线圈7，实现对超导线圈7的冷却。

本申请将冷头一级12的冷量充分利用，借助冷头一级12和冷头二级14同时冷却骨架8和超导线圈7，提高了超导线圈7的降温速度。冷头开启运行时，气体换热管15中的气体因上下密度差，形成对流，加快了超导线圈7的降温冷却速度。气体换热管15材质优选为不锈钢，以减小超导线圈7低温稳态运行时的气体管路漏热。金属管路16材质为铝合金或不锈钢。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上对本发明所提供的传导冷却超导磁体进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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的保护范围内。

Claims (10)

1.一种传导冷却超导磁体，包括低温容器、冷屏、骨架、超导线圈、超导线缆、电流引线、设于所述冷屏外侧用以冷却所述冷屏的冷头一级以及设于所述冷屏内侧用以冷却所述超导线圈的冷头二级，其特征在于，所述超导线圈的超导接头之间连接有开关引线和超导开关，所述冷头一级和所述冷头二级之间设有热传导连接所述冷头一级的换热转换块，所述换热转换块开设换热通孔，所述换热通孔穿设气体换热管，所述骨架的周部绕制有连通所述气体换热管的金属管路。

2.根据权利要求1所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述金属管路焊接于所述骨架的端盖。

3.根据权利要求2所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述金属管路沿所述端盖呈蛇形弯曲布置。

4.根据权利要求1所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述超导开关与所述骨架之间设有绝缘导热的开关连接块。

5.根据权利要求1-4任一项所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述冷屏的腔体内设有储气罐，所述储气罐连通所述金属管路。

6.根据权利要求5所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述储气罐的顶端与所述冷屏之间设置拉杆，和/或，所述储气罐的底端和所述冷屏之间设置支杆。

7.根据权利要求5所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，还包括连接所述储气罐、穿过所述冷屏及所述低温容器并延伸至所述低温容器的外部的补气管。

8.根据权利要求5所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述冷头二级与所述骨架的隔板之间连接导热件。

9.根据权利要求8所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述储气罐内的冷却气体的压力小于等于0.1MPa。

10.根据权利要求8所述的传导冷却超导磁体，其特征在于，所述换热转换块与所述气体换热管、所述气体换热管与所述金属管路均通过摩擦焊工艺焊接。

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