CN113903541A - 一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法 - Google Patents

一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法，该高温超导磁体系统包括恒温器、GM制冷机、氦气制冷回路、液氮预冷回路、固氮空间、超导线圈组件；所述的固氮空间为基于氦、氮气混合气体的固氮空间、利用混合气体在不同温度下的物质状态，优化高温超导线圈组件的降温效果；所述的液氮预冷回路不仅包括液氮预冷换热器氦气管路，还包括液氮预冷换热器液氮管路；还公开了一种方法，包括：开启氦气制冷回路循环泵，氦气系统开始循环，超导线圈组件开始降温；液氮预冷降温工况；失超工况：本发明通过将制冷机、氦气制冷回路、液氮预冷回路进行有机结合，取得了小型制冷机对于大型高温超导磁体系统的快速降温效果。

Description

一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法
技术领域
本发明属于超导回旋加速器技术领域，尤其涉及一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法。
背景技术
高温超导磁体的冷却方式是在低温超导磁体冷却方式上改进而来的。
传统小型低温超导磁体结构的冷却方式之一是采用液氦进行浸泡冷却。高温超导磁体浸泡冷却方式是在此基础上进行改进，改进后，将高温超导磁体的浸泡冷却分为二个阶段，先进行液氮的浸泡冷却、当冷却到77K时，第一阶段截止，(液氮只能冷却到77K,再以下就不能继续冷却了)，第二阶段，从77K冷却到30K，这个阶段的冷却则采用液氦浸泡冷却。由于分两个阶段，所以在第一阶段完成后，需要人工将液氮清除，再置换为液氦进行第二阶段的液氦浸泡冷却，由此，现有的高温超导磁体的冷却方式增加了人工置换的环节，将液氮置换为液氦的过程，需要人工控制、无法实现自动降温。
传统小型低温超导磁体结构的冷却方式之二是采用制冷机传导冷带布设在超导线圈长度方向的两端，进行传导冷却，对于小型超导磁体采用制冷机传导冷却目前是比较好的方案，但是对于大型超导磁体，超导线圈的长度方向的跨度远远大于小型超导线圈，由于长度方向跨度加大，距离制冷机近的则制冷效果好、远的则制冷效果差，使得长度方向的近端和远端的制冷温度不均匀。
为解决大型超导磁体系统制冷机传导冷带传导不均匀的问题，现有技术对于大型超导磁体系统曾采用氦气迫流冷却，所述氦气迫流冷却就是利用制冷机对氦气管道回路进行冷却，氦气管道回路紧贴并布设在超导线圈的周围，形成氦气迫流冷却，由此实现对超导线圈均匀冷却的目标。但是，该方法必须采用大型制冷机才能达到快速冷却的效果，而大型制冷机和小型制冷机价格相差100倍，小型制冷机只有10多万元，而大型制冷机则1000多万元，对于500kg的超导线圈大型制冷机常温制冷到高温超导的最低温度30K需要2-3天，而小型制冷机从常温制冷到高温超导的最低温度30K则需要15天左右。
综上，大型高温超导磁体系统的设计难点在于：若采用液氮+液氦的浸泡冷却方式，则需要人工控制置换过程，而无法实现自动降温；若采用制冷机传导带传导冷却方式，则对于大型高温超导磁体系统会出现传导不均的问题；若采用氦气迫流冷却方式，则对于大型超导磁体系统，则必须配以大型制冷机，而大型制冷机价格昂贵，如果采用小型制冷机，则制冷周期很长的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统和温控方法，目的在于解决现有技术的高温超导磁体系统，若浸泡冷却方式，则是一种半人工半自动的冷却方式，增加了劳动量；若采用制冷机传导带传导冷却方式，则对于大型高温超导磁体系统会出现传导不均的问题；若采用氦气迫流冷却方式，则对于大型超导磁体系统，如果采用小型制冷机，则制冷周期太长的问题。
本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，该高温超导磁体系统包括恒温器7，分别将下半部分布设在恒温器7以内、将上半部分布设在恒温器7以外的GM制冷机1、氦气制冷回路2、液氮预冷回路3、固氮空间4、超导线圈组件5；所述的GM制冷机1通过氦气制冷回路2的二个换热器与氦气制冷回路2相连接；所述的氦气制冷回路2通过液氮预冷回路3的换热器与液氮预冷回路3相连接，所述的固氮空间4通过超导线圈组件5的超导线圈氮气空间5-1与固氮空间4相连接；其特征在于：
所述的制冷机为小型制冷机，所述的高温超导磁体系统为大型高温超导磁体系统；所述氦气制冷回路2为带有快速降温功能的氦气制冷回路2；所述的液氮预冷回路3的换热器不仅包括液氮预冷换热器氦气管路3-1，还包括液氮预冷换热器液氮管路3-2；所述固氮空间4为基于氦、氮气混合气体的固氮空间4、利用混合气体在不同温度下的物质状态，实现对于固氮空间4的防真空、防负压、防氧化。
所述的氦气制冷回路2包括常规速度降温制冷回路、快速降温制冷回路、补气管路、放气管路；所述常规速度降温制冷回路通过氦气回路二级冷头换热器2-2降温，所述的快速降温制冷回路通过液氮预冷换热器液氮管路3-2进行降温；所述的补气回路用于降温过程中，因氮气密度加大而使得系统内部压力减小、针对系统内部压力减小而进行补气增压；所述的放气回路用于出现磁体失超或者系统复温时，针对系统内部压力增加而进行放气减压。
所述常规速度降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路二级冷头换热器2-2、液氮预冷换热器氦气管路3-1、超导线圈氦气管路5-4进行循环降温；所述的快速降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路二级冷头换热器2-2、液氮预冷换热器液氮管路3-2、超导线圈氦气管路5-4进行循环降温；所述的补气回路通过氦气回路储气罐2-3、氦气回路补气阀门2-5、氦气回路补气压力传感器2-6、氦气回路一级换热器2-8、氦气制冷回路循环泵2-1给系统补气；所述的放气回路通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路放气压力传感器2-7、氦气回路放气阀门2-4、氦气回路储气罐2-3将多余的氦气释放到储气罐2-3。
所述的液氮预冷回路3包括液氮预冷换热器氦气管路3-1、液氮预冷换热器液氮管路3-2、液氮预冷阀门3-3、液氮预冷阀门3-4，当换热器温度在77K以上采用液氮降温时，开启液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4，液氮通过液氮预冷换热器液氮管路3-2对氦气制冷回路中的氦气进行冷却，液氮降温结束，关闭液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4。
所述的固氮空间4由固氮空间储气罐4-1、超导线圈氮气空间5-1、固氮空间阀门4-2组成；超导线圈5中的超导线圈氮气空间5-1和固氮空间储气罐4-1组成一个封闭的固氮空间，固氮空间内为氦气和适当的氮气组成的混合气体。
所述的超导线圈组件5由上下两层超导线圈组成，上下两层超导线圈分别为跑道形状，两层跑道形超导线圈的中间为束流通道；该超导线圈组件5包括用于存放氮气的超导线圈氮气空间5-1、缠绕在超导线圈骨架3上的超导线圈5-2、以及超导线圈氦气管路5-4；所述的超导线圈氮气空间5-1用于和固氮空间4的固氮空间储气罐4-1组成一个封闭的固氮空间，随着温度的下降，氮气液化为液氮，收到重力的作用，液氮聚集在固氮空间4下部的超导线圈氮气空间5-1中，氦气占据固氮空间4上部的固氮空间储气罐4-1中；所述的超导线圈氦气管路5-4和氦气制冷回路2相连接，用于氦气制冷回路2的低温制冷回路、以及高温制冷回路。
一种高温超导磁体系统的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在氦气循环系统中充入适当的氦气；
步骤二、在固氮空间充入合适的混合气体；
步骤三、开启GM制冷机1的制冷系统、以及冷屏6，开始降温，开启氦气制冷回路循环泵2-1，氦气系统开始循环，超导线圈组件5开始降温；
步骤四、氦气回路补气压力传感器2-6实时监控氦气循环系统的压力，随着温度的降低，系统压力降低到一定程度后，氦气回路补气阀门2-5开启，向系统补气，补充的氦气经过氦气回路一级冷头换热器2-8预冷后进入系统循环；
步骤五、液氮预冷降温工况：降温工况条件下，由液氮预冷阀门3-3通入液氮，液氮经过液氮预冷换热器液氮管路3-2进一步预冷氦气，经换热器液氮气化，然后通过液氮预冷阀门3-4排到大气中；当氦气回路二级冷头换热器2-2温度低于液氮温度77K后，关液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4回到一般工况降温状态。
步骤六、失超工况：当超导线圈组件5出现失超时温度上升，线圈的能量释放到固氮空间4下部的超导线圈氮气空间5-1的固氮中、使固氮转化为液氮，若出现特殊情况使得液氮温度进一步上升转化为氮气，固氮空间4压力上升到一定值，氮气由固氮空间阀门4-2泄压；当线圈出现失超时，氦气制冷回路2的氦气回路放气压力传感器2-7检测到氦气循环系统中的压力增高，开启氦气回路放气阀门2-4，将系统中的氦气释放到氦气回路储气罐2-3，此时，低温系统仍然可以正常运作。
本发明的优点效果
1、本发明通过将制冷机、氦气制冷回路、液氮预冷回路进行有机结合，取得了小型制冷机对于大型高温超导磁体系统的快速降温效果：通过氦气制冷回路和制冷机的有机结合，解决了高温超导磁体系统从77K到30K的自动降温问题，从而避免了液氮被置换过程中的人工控制；通过氦气制冷回路和液氮预冷回路的有机结合，解决了小型制冷机的快速降温问题，降温周期缩短为原来的四分之一；通过固氮空间的混合气体设计，避免了因液氮密度加大而出现的真空地带问题；通过超导线圈的超导线圈氮气空间5-1、超导线圈氦气管路5-4的设计，实现了从制冷机到氦气管道的降温、从超导线圈氦气管路5-4到超导线圈的降温、从超导线圈到超导线圈氮气空间5-1的降温，最终在超导线圈氮气空间5-1中从液氮变为固氮，并且固氮均匀第包围在线圈的四周。
2、该发明提供了一种高温超导磁体系统方案。本超导磁体系统方案可自动降温。在超导磁体失超后本系统方案低温系统仍然可以正常工作无需人工参与。在采用液氮预冷方案时本超导磁体系统可明显提高降温速度减少等待时间(此过程需要人工参与，操作比较容易)。液氮预冷中液氮于氦气循环为独立的管路系统，在液氮预冷转为氦气预冷过程中无需管路清洗。本超导磁体系统方案中制冷机可远离超导线圈，降低制冷机对系统的影响。
附图说明
图1为本发明高温超导磁体系统原理图；
图2-1为本发明超导线圈结构立体图；
图2-2为本发明超导线圈结构俯视图；
图2-3为本发明超导线圈结构剖视图；
图3为本发明氦气制冷回路示意图；
图4为本发明固氮空间示意图；
图5为本发明GM制冷机示意图；
图6为本发明液氮预冷回路示意图；
图中，1：GM制冷机；2：氦气制冷回路；2-1：氦气制冷回路循环泵；2-2：氦气回路二级冷头换热器；2-3：氦气回路储气罐；2-4：氦气回路放气阀门；2-5：氦气回路补气阀门；2-6：氦气回路补气压力传感器；2-7：氦气回路放气压力传感器；2-8：氦气回路一级冷头换热器；3：液氮预冷回路；3-1：液氮预冷换热器氦气管路；3-2：液氮预冷换热器液氮管路；3-3：液氮预冷阀门；3-4：液氮预冷阀门:4：固氮空间；4-1：固氮空间储气罐；4-2：固氮空间阀门；5：超导线圈组件；5-1：超导线圈氮气空间；5-2：超导线圈；5-3：超导线圈骨架；5-4：超导线圈氦气管路；6：冷屏；7：恒温器。
具体实施方式
本发明设计原理
1.氦气制冷回路的设计、以及解决采用二次浸泡方式冷却需要人工控制、无法实现自动降温的问题：液氮温度最低为77K，不能达到高温超导磁体最低降温为30K的要求，现有技术采用分两个阶段不同液体浸泡的方式最终达到30K的降温目标，但在置换液氮为液氦的过程中，需要人工控制、无法实现自动降温。本发明采用氦气制冷回路2代替二次浸泡方式中的“液氦”浸泡，从而实现了从77K到30K的降温：其原理是：氦气制冷回路2通过氦气回路二级冷头换热器连接GM制冷机1、GM制冷机1通过氦气制冷回路2给超导线圈5-2降温，超导线圈5-2再给超导线圈氮气空间5-1降温，从而将超导线圈氮气空间5-1中的液氮变为固氮。以上从液氮变为固氮的过程，必须依靠外界的制冷机，依靠液氮自身是无法完成的，因为液氮的自身温度最低为77K，当液氮变为固氮时，需要GM制冷机1对液氮进一步降温才能由液氮变为固氮，一旦固氮形成了，固氮的温度便达到了30K,从而完成了从77K到30K的自动高温超导降温过程，而无需人工控制。
2.液氮预冷回路的设计、以及解决用小型制冷机实现大型高温超导磁体系统快速制冷效果的问题：本实施例采用的是GM制冷机小型制冷机，而高温超导磁体系统却是大型高温超导磁体系统，大型制冷机价格是小型制冷机价格的100倍，小型制冷机若要代替大型制冷机，无疑，制冷时间必然相对很长：一般从常温下的300K降温到30K大约为15天。本发明通过增加一个液氮预冷回路，加速了降温过程，从15天制冷周期缩短到3-4天：通过液氮预冷回路达到快速降温的原理是：在液氮预冷回路3上设置了两个不同的管路：液氮预冷换热器氦气管路3-1、以及液氮预冷换热器液氮管路3-2，其中，液氮预冷换热器液氮管路3-2是达到快速降温的主要部件，如图1所示，当需要急速降温时，回路中的氦气主要通过液氮预冷换热器液氮管路3-2进行降温，而换热器2-2只是辅助降温。通过液氮预冷换热器液氮管路3-2进行降温，相比通过GM制冷机1降温，速度要快3倍，原因在于：制冷机降温是从常温开始，从300K下降到30K，而通过液氮预冷换热器液氮管路3-2降温，是从77K开始降温，因为液氮本身的温度就已经达到了77K，因此，通过液氮预冷换热器液氮管路3-2进行降温所使用的时间仅仅是制冷机降温的四分之一。通过在小型制冷机基础上增加一条液氮预冷回路2，使得大型高温超导磁体系统，在小型制冷机的条件下同样达到了快速降温的效果。
3、固氮空间设计、以及解决容器内防真空和防氧化问题：固氮空间设计为存放混合气体，目的在于防真空、防氧化。当降温过程中氮气变为液氮或者固氮时，如果固氮空间不是混合气体而是单一的氮气，那么当氮气变为液氮时，固氮空间就容易出现真空，出现真空以后，一旦密封环境不够好，空气进入真空，就会对容器内部产生氧化，影响高温超导磁体系统的使用寿命。本发明设计固氮空间中的氮气、氦气为一定的比例，当氮气变为液氮或者变为固氮时，氦气能够填满真空，使得固氮空间内始终保持正压、不会出现真空。
下面结合附图对本发明做出进一步解释：
一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，该高温超导磁体系统包括恒温器7，分别将下半部分布设在恒温器7以内、将上半部分布设在恒温器7以外的GM制冷机1、氦气制冷回路2、液氮预冷回路3、固氮空间4、超导线圈组件5；所述的GM制冷机1通过氦气制冷回路2的二个换热器与氦气制冷回路2相连接；所述的氦气制冷回路2通过液氮预冷回路3的换热器与液氮预冷回路3相连接，所述的固氮空间4通过超导线圈组件5的超导线圈氮气空间5-1与固氮空间4相连接；其特征在于：
所述的制冷机为小型制冷机，所述的高温超导磁体系统为大型高温超导磁体系统；所述氦气制冷回路2为带有快速降温功能的氦气制冷回路2；所述的液氮预冷回路3的换热器不仅包括液氮预冷换热器氦气管路3-1，还包括液氮预冷换热器液氮管路3-2；所述固氮空间4为基于氦、氮气混合气体的固氮空间4、利用混合气体在不同温度下的物质状态，实现对于固氮空间4的防真空、防负压、防氧化。
所述的氦气制冷回路2包括常规速度降温制冷回路、快速降温制冷回路、补气管路、放气管路；所述常规速度降温制冷回路通过氦气回路二级冷头换热器2-2降温，所述的快速降温制冷回路通过液氮预冷换热器液氮管路3-2进行降温；所述的补气回路用于降温过程中，因氮气密度加大而使得系统内部压力减小、针对系统内部压力减小而进行补气增压；所述的放气回路用于出现磁体失超或者系统复温时，针对系统内部压力增加而进行放气减压。
所述常规速度降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路二级冷头换热器2-2、液氮预冷换热器氦气管路3-1、超导线圈氦气管路5-4进行循环降温；所述的快速降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路二级冷头换热器2-2、液氮预冷换热器液氮管路3-2、超导线圈氦气管路5-4进行循环降温；所述的补气回路通过氦气回路储气罐2-3、氦气回路补气阀门2-5、氦气回路补气压力传感器2-6、氦气回路一级换热器2-8、氦气制冷回路循环泵2-1给系统补气；所述的放气回路通过氦气制冷回路循环泵2-1、氦气回路放气压力传感器2-7、氦气回路放气阀门2-4、氦气回路储气罐2-3将多余的氦气释放到储气罐2-3。
所述的液氮预冷回路3包括液氮预冷换热器氦气管路3-1、液氮预冷换热器液氮管路3-2、液氮预冷阀门3-3、液氮预冷阀门3-4，当换热器温度在77K以上采用液氮降温时，开启液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4，液氮通过液氮预冷换热器液氮管路3-2对氦气制冷回路中的氦气进行冷却，液氮降温结束，关闭液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4。
所述的固氮空间4由固氮空间储气罐4-1、超导线圈氮气空间5-1、固氮空间阀门4-2组成；超导线圈5中的超导线圈氮气空间5-1和固氮空间储气罐4-1组成一个封闭的固氮空间，固氮空间内为氦气和适当的氮气组成的混合气体。
所述的超导线圈组件5由上下两层超导线圈组成，上下两层超导线圈分别为跑道形状，两层跑道形超导线圈的中间为束流通道；该超导线圈组件5包括用于存放氮气的超导线圈氮气空间5-1、缠绕在超导线圈骨架3上的超导线圈5-2、以及超导线圈氦气管路5-4；所述的超导线圈氮气空间5-1用于和固氮空间4的固氮空间储气罐4-1组成一个封闭的固氮空间，随着温度的下降，氮气液化为液氮，收到重力的作用，液氮聚集在固氮空间4下部的超导线圈氮气空间5-1中，氦气占据固氮空间4上部的固氮空间储气罐4-1中；所述的超导线圈氦气管路5-4和氦气制冷回路2相连接，用于氦气制冷回路2的低温制冷回路、以及高温制冷回路。
一种高温超导磁体系统的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在氦气循环系统中充入适当的氦气；
步骤二、在固氮空间充入合适的混合气体；
步骤三、开启GM制冷机1的制冷系统、以及冷屏6，开始降温，开启氦气制冷回路循环泵2-1，氦气系统开始循环，超导线圈组件5开始降温；
步骤四、氦气回路补气压力传感器2-6实时监控氦气循环系统的压力，随着温度的降低，系统压力降低到一定程度后，氦气回路补气阀门2-5开启，向系统补气，补充的氦气经过氦气回路一级冷头换热器2-8预冷后进入系统循环；
步骤五、液氮预冷降温工况：降温工况条件下，由液氮预冷阀门3-3通入液氮，液氮经过液氮预冷换热器液氮管路3-2进一步预冷氦气，经换热器液氮气化，然后通过液氮预冷阀门3-4排到大气中；当氦气回路二级冷头换热器2-2温度低于液氮温度77K后，关液氮预冷阀门3-3和液氮预冷阀门3-4回到一般工况降温状态。
步骤六、失超工况：当超导线圈组件5出现失超时温度上升，线圈的能量释放到固氮空间4下部的超导线圈氮气空间5-1的固氮中、使固氮转化为液氮，若出现特殊情况使得液氮温度进一步上升转化为氮气，固氮空间4压力上升到一定值，氮气由固氮空间阀门4-2泄压；当线圈出现失超时，氦气制冷回路2的氦气回路放气压力传感器2-7检测到氦气循环系统中的压力增高，开启氦气回路放气阀门2-4，将系统中的氦气释放到氦气回路储气罐2-3，此时，低温系统仍然可以正常运作。
本发明所述的方法并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (7)

1.一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，该高温超导磁体系统包括恒温器(7)，分别将下半部分布设在恒温器(7)以内、将上半部分布设在恒温器(7)以外的GM制冷机(1)、氦气制冷回路(2)、液氮预冷回路(3)、固氮空间(4)、超导线圈组件(5)；所述的GM制冷机(1)通过氦气制冷回路(2)的二个换热器与氦气制冷回路(2)相连接；所述的氦气制冷回路(2)通过液氮预冷回路(3)的换热器与液氮预冷回路(3)相连接，所述的固氮空间(4)通过超导线圈组件(5)的超导线圈氮气空间(5-1)与固氮空间(4)相连接；其特征在于：
所述的制冷机为小型制冷机，所述的高温超导磁体系统为大型高温超导磁体系统；所述氦气制冷回路(2)为带有快速降温功能的氦气制冷回路(2)；所述的液氮预冷回路(3)的换热器不仅包括液氮预冷换热器氦气管路(3-1)，还包括液氮预冷换热器液氮管路(3-2)；所述固氮空间(4)为基于氦、氮气混合气体的固氮空间(4)、利用混合气体在不同温度下的物质状态，实现对于固氮空间(4)的防真空、防负压、防氧化。
2.根据权利要求1所述的一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，其特征在于：所述的氦气制冷回路(2)包括常规速度降温制冷回路、快速降温制冷回路、补气管路、放气管路；所述常规速度降温制冷回路通过氦气回路二级冷头换热器(2-2)降温，所述的快速降温制冷回路通过液氮预冷换热器液氮管路(3-2)进行降温；所述的补气回路用于降温过程中，因氮气密度加大而使得系统内部压力减小、针对系统内部压力减小而进行补气增压；所述的放气回路用于出现磁体失超或者系统复温时，针对系统内部压力增加而进行放气减压。
3.根据权利要求2所述的一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，其特征在于：所述常规速度降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵(2-1)、氦气回路二级冷头换热器(2-2)、液氮预冷换热器氦气管路(3-1)、超导线圈氦气管路(5-4)进行循环降温；所述的快速降温制冷回路依次通过氦气制冷回路循环泵(2-1)、氦气回路二级冷头换热器(2-2)、液氮预冷换热器液氮管路(3-2)、超导线圈氦气管路(5-4)进行循环降温；所述的补气回路通过氦气回路储气罐(2-3)、氦气回路补气阀门(2-5)、氦气回路补气压力传感器(2-6)、氦气回路一级换热器(2-8)、氦气制冷回路循环泵(2-1)给系统补气；所述的放气回路通过氦气制冷回路循环泵(2-1)、氦气回路放气压力传感器(2-7)、氦气回路放气阀门(2-4)、氦气回路储气罐(2-3)将多余的氦气释放到储气罐(2-3)。
4.根据权利要求1所述的一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，其特征在于：所述的液氮预冷回路(3)包括液氮预冷换热器氦气管路(3-1)、液氮预冷换热器液氮管路(3-2)、液氮预冷阀门(3-3)、液氮预冷阀门(3-4)，当换热器温度在77K以上采用液氮降温时，开启液氮预冷阀门(3-3)和液氮预冷阀门(3-4)，液氮通过液氮预冷换热器液氮管路(3-2)对氦气制冷回路中的氦气进行冷却，液氮降温结束，关闭液氮预冷阀门(3-3)和液氮预冷阀门(3-4)。
5.根据权利要求1所述的一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，其特征在于：所述的固氮空间(4)由固氮空间储气罐(4-1)、超导线圈氮气空间(5-1)、固氮空间阀门(4-2)组成；超导线圈(5)中的超导线圈氮气空间(5-1)和固氮空间储气罐(4-1)组成一个封闭的固氮空间，固氮空间内为1bar的氦气和适当的氮气组成的混合气体。
6.根据权利要求1所述的一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统，其特征在于：所述的超导线圈组件(5)由上下两层超导线圈组成，上下两层超导线圈分别为跑道形状，两层跑道形超导线圈的中间为束流通道；该超导线圈组件(5)包括用于存放氮气的超导线圈氮气空间(5-1)、缠绕在超导线圈骨架(3)上的超导线圈(5-2)、以及超导线圈氦气管路(5-4)；所述的超导线圈氮气空间(5-1)用于和固氮空间(4)的固氮空间储气罐(4-1)组成一个封闭的固氮空间，随着温度的下降，氮气液化为液氮，收到重力的作用，液氮聚集在固氮空间(4)下部的超导线圈氮气空间(5-1)中，氦气占据固氮空间(4)上部的固氮空间储气罐(4-1)中；所述的超导线圈氦气管路(5-4)和氦气制冷回路(2)相连接，用于氦气制冷回路(2)的低温制冷回路、以及高温制冷回路。
7.一种基于权利要求1-6任意一项一种基于小型制冷机的大型高温超导磁体系统的高温超导磁体系统的温度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在氦气循环系统中充入适当的氦气；
步骤二、在固氮空间充入合适的混合气体；
步骤三、开启GM制冷机(1)的制冷系统、以及冷屏(6)，开始降温，开启氦气制冷回路循环泵(2-1)，氦气系统开始循环，超导线圈组件(5)开始降温；
步骤四、氦气回路补气压力传感器(2-6)实时监控氦气循环系统的压力，随着温度的降低，系统压力降低到一定程度后，氦气回路补气阀门(2-5)开启，向系统补气，补充的氦气经过氦气回路一级冷头换热器(2-8)预冷后进入系统循环；
步骤五、液氮预冷降温工况：降温工况条件下，由液氮预冷阀门(3-3)通入液氮，液氮经过液氮预冷换热器液氮管路(3-2)进一步预冷氦气，经换热器液氮气化，然后通过液氮预冷阀门(3-4)排到大气中；当氦气回路二级冷头换热器(2-2)温度低于液氮温度77K后，关液氮预冷阀门(3-3)和液氮预冷阀门(3-4)回到一般工况降温状态。
步骤六、失超工况：当超导线圈组件(5)出现失超时温度上升，线圈的能量释放到固氮空间(4)下部的超导线圈氮气空间(5-1)的固氮中、使固氮转化为液氮，若出现特殊情况使得液氮温度进一步上升转化为氮气，固氮空间(4)压力上升到一定值，氮气由固氮空间阀门(4-2)泄压；当线圈出现失超时，氦气制冷回路(2)的氦气回路放气压力传感器(2-7)检测到氦气循环系统中的压力增高，开启氦气回路放气阀门(2-4)，将系统中的氦气释放到氦气回路储气罐(2-3)，此时，低温系统仍然可以正常运作。
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