CN114121399B - 一种超导磁体冷却系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种超导磁体冷却系统，包括杜瓦真空筒、设置于所述杜瓦真空筒内的安装骨架以及绕设在所述安装骨架周侧端的超导线圈，所述安装骨架内预留有冷却管道，所述安装骨架的外周侧壁同轴开设有呈螺旋状的嵌设槽，所述嵌设槽内埋设有冷却铜管，所述超导线圈部分对齐并抵接于所述冷却铜管。本申请具有提高对超导磁体的制冷效果等特点。

Description

一种超导磁体冷却系统

技术领域

本申请涉及超导磁体冷却技术领域，尤其是涉及一种超导磁体冷却系统。

背景技术

目前，超导磁体系统拥有相对较大的能量，其现今有着广阔的应用前景。例如，磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)系统中，超导磁体系统被构造以存储高达15M焦耳的能量，磁共振成像系统现今大量应用于临床环境的医学成像。部分磁共振成像系统为超导磁体系统，用来产生均匀磁场。超导磁体系统也可用于其它系统中，例如核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)系统，加速器，变压器，发电机，电动机，超导磁体能源存储系统(Superconducting Magnet Energy Storages,SMES)等。

超导磁体制冷是超导磁体的主要运行成本，这也是限制超导磁体广泛应用的诸多因素之一。

发明内容

为了提高对超导磁体的制冷效果，本申请提供一种超导磁体冷却系统。

本申请的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种超导磁体冷却系统，包括杜瓦真空筒、设置于所述杜瓦真空筒内的安装骨架以及绕设在所述安装骨架周侧端的超导线圈，所述安装骨架内预留有冷却管道，所述安装骨架的外周侧壁同轴开设有呈螺旋状的嵌设槽，所述嵌设槽内埋设有冷却铜管，所述超导线圈部分对齐并抵接于所述冷却铜管。

通过采用上述技术方案，该方案中超导线圈在进行工作时需要保持在较低的温度，同时在工作时还会产生一定的热量，通过在安装骨架内设置冷却管道，于杜瓦真空筒的外部持续向冷却管道内充入冷却介质，通过冷却介质对超导线圈进行降温，同时将超导线圈工作时产生的热量携带至杜瓦真空筒的外部，同时在安装骨架外部开设的嵌设槽内嵌入冷却铜管，使得超导线圈部分抵接冷却铜管，向冷却铜管内充入冷却介质，使得冷却铜管同样可对超导线圈进行降温，同时超导线圈和冷却铜管部分进行接触，可加快超导线圈产生热量的传递，进而提高对超导磁体的制冷效果。

优选的，所述冷却铜管远离所述杜瓦真空筒轴心的一侧端突出于所述嵌设槽且开设有供部分所述超导线圈嵌入的导冷槽。

通过采用上述技术方案，冷却铜管的外周侧端开设有导冷槽，超导线圈缠绕于安装骨架上时直接沿着导冷槽进行嵌设，从而增大冷却铜管和超导线圈的接触面积，进而进一步的提升对超导磁体的制冷效果，同时可提升超导线圈缠绕在安装骨架外侧的稳定性，可有效减小工作时产生的噪声。

优选的，所述杜瓦真空筒的一端设置有液氮供液机，所述液氮供液机的回液端和供液端均连通于所述冷却管道，所述冷却管道远离所述液氮供液机的侧端连通于所述冷却铜管，所述冷却管道和所述冷却铜管新形成冷却回路，所述杜瓦真空筒的侧端于所述液氮供液机的一侧设置有冷头，所述冷头连接于所述冷却铜管的一端。

通过采用上述技术方案，液氮供液机向冷却管道通入温度非常低的液氮，液氮沿着冷却管道逐渐流入冷却铜管内，再经由冷却铜管流回至冷却管道内，最后流回至液氮供液机内，此时液氮的流动形成一整个回路，同时冷头直接连接冷却铜管，使得冷头可持续对冷却铜管进行降温，一方面可提升对超导磁体的制冷效果，另一方面液氮在流动的过程中将会逐渐吸收超导线圈产生的热量，使得液氮流动的过程中温度逐渐升高，从而对整个超导线圈各个部位进行冷却的效果将会有细微的差别，这些差别反映导超导线圈上时可能会导致超导线圈的使用出现一定程度上的波动，而通过冷头对冷却铜管进行制冷时，也是对冷却铜管内液氮的制冷，从而尽可能的保证液氮对超导线圈的冷却更加稳定。

优选的，所述安装骨架外周侧端开设有连接槽，所述连接槽连通于所述冷却管道和所述嵌设槽，所述冷却管道由所述液氮供液机回液端连通至所述连接槽侧壁的为入口，所述冷却通道由所述液氮供液机供液端连通至所述连接槽侧壁的为出口，所述冷却铜管的一端设置有进液连接头以及出液连接头，所述进液连接头连通于入口，所述出液连接头连通于所述出口。

通过采用上述技术方案，将冷却管道通过连接槽进行截断，将冷却铜管通过进液连接头和出液连接头连接在至冷却管道位于连接槽的部位，从而使得液氮可沿着冷却管道顺利流入冷却铜管内，同时使得整个冷却系统在安装时也会更加方便。

优选的，所述杜瓦真空筒于所述安装骨架的外周侧设置有第一真空筒和第二真空筒，所述第二真空筒位于所述第一真空筒的外周侧，所述第一真空筒和所述第二真空筒之间形成真空腔。

通过采用上述技术方案，在杜瓦真空筒的内部设置第一真空筒和第二真空筒，使得第一真空筒和第二真空筒之间形成真空腔，此时真空腔将超导线圈、冷却管道以及冷却铜管进行包覆，从而减小内部温度的流失，使得第一真空筒和安装骨架之间形成的腔室可以保持较低的温度。

优选的，所述超导线圈之间填充有环氧树脂胶条，所述超导线圈的外周侧包覆有特氟龙布，所述特氟龙布的内壁抵接于所述环氧树脂胶条，所述特氟龙布的外周侧涂覆有环氧树脂胶层。

通过采用上述技术方案，通过环氧树脂胶条对超导线圈之间的间隙进行填充，使得整个杜瓦真空筒在进行转动时，超导线圈不会发生晃动，更加稳定，同时在超导线圈的外周侧包覆特氟龙布，再通过环氧树脂胶层将特氟龙布进行包覆固定，从而将超导线圈进行包裹，一方面可减小超导线圈散发的热量沿着超导线圈的外侧进行流失，另一方面可对超导线圈以及冷却铜管进行固定。

优选的，所述环氧树脂胶层远离所述特氟龙布的外侧壁开设有安装槽，所述安装插槽内插入有梯度线圈，所述梯度线圈的外侧壁缠绕有降温导管。

通过采用上述技术方案，将梯度线圈之间安装至环氧树脂胶层的安装槽内，再于梯度线圈的外周壁缠绕降温导管，减小梯度线圈工作时产生的热量对超导线圈产生影响。

优选的，所述连接槽内密封插入有连接块，所述连接块抵接所述连接槽的两侧壁均开设有连通于所述冷却管道的连接腔，所述进液连接头和所述出液连接头均包括密封插接于所述连接块且连通于所述连接腔的连接管，所述连接管远离所述连接块的一端密封插接于所述冷却铜管的一端。

通过采用上述技术方案，冷却铜管安装于安装骨架上后，将连接块沿着连接槽插入，此时使得连接管对准冷却铜管的两个端头，当连接块完全插入连接槽后进行密封，此时连接管插入冷却铜管内，而冷却管道的两开口分别连通于连接块内的两连接腔，从而使得液氮供液机将液氮注入冷却管道内后，液氮将会流入一连接腔内，再通过连接管进入冷却铜管内，在冷却铜管内回流至另一连接管后再进入另一连接腔内，最后回流至冷却管道内，该方案通过连接块和连接管将冷却管道和冷却铜管进行连接，更加方便，更加安全。

优选的，所述冷却铜管在靠近所述连接管的一端滑移套设有密封套，所述密封套的一端周向开设有多条形变槽，所述密封套的周侧螺纹套设有箍紧所述密封套并趋使所述形变槽收窄的箍紧套。

通过采用上述技术方案，将密封套套在冷却铜管上且沿着冷却铜管的长度方向进行移动，移动至位于连接管和冷却铜管的连接处，此时转动箍紧套，使得箍紧套转动并逐渐将密封套进行收紧，使得形变槽逐渐变窄，此时密封套将冷却铜管的端头进行收紧，从而使得冷却铜管和连接管的连接处连接更加紧密，减小泄漏的风险。

优选的，所述冷却管道和所述冷却铜管的截面呈腰型。

通过采用上述技术方案，将冷却通道和冷却铜管的设置成截面呈腰型，使得冷却通道和冷却铜管的外表面积更大，当内部流通液氮时，可以更加快速的对超导线圈进行制冷。

综上所述，本申请的有益技术效果为：

1.在安装骨架内设置冷却管道，于杜瓦真空筒的外部持续向冷却管道内充入冷却介质，通过冷却介质对超导线圈进行降温，同时将超导线圈工作时产生的热量携带至杜瓦真空筒的外部，同时在安装骨架外部开设的嵌设槽内嵌入冷却铜管，使得超导线圈部分抵接冷却铜管，向冷却铜管内充入冷却介质，使得冷却铜管同样可对超导线圈进行降温，同时超导线圈和冷却铜管部分进行接触，可加快超导线圈产生热量的传递，进而提高对超导磁体的制冷效果；

2.液氮供液机向冷却管道通入温度非常低的液氮，液氮沿着冷却管道逐渐流入冷却铜管内，再经由冷却铜管流回至冷却管道内，最后流回至液氮供液机内，此时液氮的流动形成一整个回路，同时冷头直接连接冷却铜管，使得冷头可持续对冷却铜管进行降温，一方面可提升对超导磁体的制冷效果，另一方面液氮在流动的过程中将会逐渐吸收超导线圈产生的热量，使得液氮流动的过程中温度逐渐升高，从而对整个超导线圈各个部位进行冷却的效果将会有细微的差别，这些差别反映导超导线圈上时可能会导致超导线圈的使用出现一定程度上的波动，而通过冷头对冷却铜管进行制冷时，也是对冷却铜管内液氮的制冷，从而尽可能的保证液氮对超导线圈的冷却更加稳定；

3.杜瓦真空筒的内部设置第一真空筒和第二真空筒，使得第一真空筒和第二真空筒之间形成真空腔，此时真空腔将超导线圈、冷却管道以及冷却铜管进行包覆，从而减小内部温度的流失，使得第一真空筒和安装骨架之间形成的腔室可以保持较低的温度。

附图说明

图1为超导磁体冷却系统的结构示意图；

图2为杜瓦真空筒的轴线剖视图；

图3为冷却铜管缠绕于嵌设槽内的机构示意图；

图4为图3的A-A处剖视图；

图5为连接块、进液连接头和出液连接头的爆炸示意图；

图6为冷头处的爆炸示意图；

图7为图6的A处放大图；

图8为定位杆和限位片的结构示意图。

图中：1、杜瓦真空筒；2、安装骨架；3、超导线圈；4、冷头；5、液氮供液机；6、内筒；7、外筒；8、环板；9、通孔；10、冷却管道；11、连接槽；12、入口；13、出口；14、嵌设槽；15、冷却铜管；16、回摆槽；17、进液连接头；18、出液连接头；19、连接管；20、密封套；21、箍紧套；22、形变槽；23、连接块；24、连接腔；25、导冷槽；26、环氧树脂胶条；27、特氟龙布；28、环氧树脂胶层；29、安装槽；30、梯度线圈；31、降温导管；32、第一真空筒；33、第二真空筒；34、圆筒台；35、定位杆；36、第一罩体；37、第二罩体；38、防护腔；39、定位组件；40、卡接插块；41、定位板；42、插槽；43、卡槽；44、定位孔；45、定位螺栓；46、防护片；47、限位片；48、凸点；49、凹槽；50、防护绵层。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

参见图1和图2，一种超导磁体冷却系统，包括杜瓦真空筒1、通过螺栓固定安装于杜瓦真空筒1外部的多个制冷装置、设置于杜瓦真空筒1内的安装骨架2以及绕设在安装骨架2周侧端的超导线圈3，制冷装置包括冷头4和液氮供液机5。

杜瓦真空筒1包括同轴套设的内筒6和外筒7，外筒7的直径大于内筒6的直径且套设在内筒6的外周侧，内筒6和外筒7的两端均焊接有环板8，使得内筒6、外筒7和两环板8之间形成环形腔体，内筒6的中部沿轴线形成有贯通的圆柱形通孔9。

参见图3和图4，安装骨架2呈环状且同轴套设并焊接于内筒6的外周壁上，安装骨架2内预留有冷却管道10，冷却管道10共有两组且截面呈腰型，两组冷却管道10呈蛇形分布并各占一半安装骨架2，液氮供液机5的供液端和回液端均伸入杜瓦真空筒1的内部并焊接在安装骨架2的一端，同时各连通于一冷却管道10，安装骨架2的外侧壁在远离液氮供液机5的一侧开设有连接槽11，两组冷却管道10远离液氮供液机5的一端各连通至连接槽11的两侧壁，冷却管道10连通至连接槽11的两侧壁的开口中，一为入口12，一为出口13，其中连通至液氮供液机5供液端的为出口13，连通至液氮供液机5回液端的为入口12。

安装骨架2的外侧壁开设有呈螺旋状的嵌设槽14，嵌设槽14的一端连通至连接槽11，嵌设槽14内嵌入有呈螺旋状的冷却铜管15，冷却铜管15的截面呈腰型，冷头4的制冷端直接伸入杜瓦真空筒1内并通过螺栓固定在冷却铜管15的侧端，安装骨架2的外侧壁沿轴线方向开设有贯通嵌设槽14的回摆槽16，回摆槽16深于嵌设槽14且连通至连接槽11，冷却铜管15的一端直接沿着嵌设槽14伸入连接槽11内，冷却铜管15的另一端沿着回摆槽16同样伸入连接槽11内。

参见图5，冷却铜管15的两端部各设置有进液连接头17和出液连接头18，其中进液连接头17位于靠近出口13的一侧，出液连接头18位于靠近入口12的一侧，进液连接头17和出液连接头18均包括插接于冷却铜管15端部的连接管19、滑移套设在冷却铜管15端部的密封套20以及通过螺纹转动套设在密封套20上的箍紧套21，密封套20靠近连接槽11的一端周向均匀开设有形变槽22，形变槽22的开设方向平行于密封套20的轴线方向，密封套20靠近冷却铜管15一端的外径小于靠近连接槽11的一端，密封套20的内径不变，移动密封套20至冷却铜管15和连接管19的连接处后，转动箍紧套21，使得箍紧套21向远离冷却铜管15的一端移动，从而将密封套20逐渐箍紧，进而使得形变槽22收窄，从而将连接管19和冷却铜管15的衔接处进行箍紧，进而进行密封。

连接槽11内插入有连接块23，连接块23抵接至连接槽11的两侧端均开设有连接腔24，使得两连接腔24各连通至一冷却管道10，连接块23的两端面直接密封粘接在连接槽11两侧壁，两根连接管19直接焊接在连接块23靠近冷却铜管15的一端并各连通一连接腔24内，此时两组冷却管道10和冷却铜管15形成一供液氮流动的回路，即液氮沿着液氮供液机5进入一组冷却管道10内，再进入冷却铜管15内，再由冷却铜管15回流至另一组冷却管道10内，最后回流至液氮供液机5内。

参见图2和图3，冷却铜管15的外表面开设有导冷槽25，超导线圈3部分嵌设在导冷槽25内，超导线圈3之间的间隙填充有环氧树脂胶条26，超导线圈3的外周侧包覆有特氟龙布27，特氟龙布27的外周侧涂覆有环氧树脂胶层28进行固定，环氧树脂胶层28的外壁开设有呈环形的安装槽29，安装槽29内插入有梯度线圈30，梯度线圈30的外侧壁呈螺旋状缠绕有降温导管31。

杜瓦真空筒1在内部腔室于内筒6的外周壁上焊接有第一真空筒32和第二真空筒33，第一真空筒32将安装骨架2进行包覆，第二真空筒33将第一真空筒32进行包覆，使得第一真空筒32和第二真空筒33之间形成内部抽真空的真空腔。

参见图6和图7，外筒7的外壁上焊接有圆筒台34，冷头4插接至圆筒台34内并伸入杜瓦真空筒1内，同时通过螺栓固定在圆筒台34上。

圆筒台34远离外筒7的一端通过螺纹插入固定有一根定位杆35，定位杆35上转动套设两半防护罩，两半防护罩均呈半圆筒状，两半防护罩转动扣合在一起时，中部形成可将冷头4进行包裹的防护腔38，两半防护罩其一为第一罩体36，另一为第二罩体37，第一罩体36和第二罩体37远离定位杆35的一端通过定位组件39进行固定。

定位组件39包括焊接在第一罩体36远离定位杆35一端的卡接插块40以及通过螺栓转动固定在第一罩体36外表面的两块定位板41，两块定位板41分别位于卡接插块40的两侧，第二罩体37远离定位杆35的一端开设有供卡接插块40插入的插槽42，第二罩体37的外表面上开设有连通于插槽42且供卡接插块40卡入的卡槽43，当卡接插块40插入插槽42内并卡接在卡槽43内时，第一罩体36和第二罩体37进行固定。定位板41远离转动轴心的一端开设有定位孔44，定位孔44内穿入有定位螺栓45，定位螺栓45螺纹固定在第二罩体37的外表面，从而将第一罩体36和第二罩体37完全固定。

参见图7和图8，第一罩体36和第二罩体37远离杜瓦真空筒1的一端通过合页转动连接有防护片46，防护片46的转动轴心位于远离冷头4的一侧，防护片46可转动抵接在冷头4远离杜瓦真空筒1的一端，定位杆35于第一罩体36和第二罩体37远离杜瓦真空筒1的一端转动套设有限位片47，限位片47位于防护片46远离第一罩体36和第二罩体37的一侧，当防护片46抵接冷头4的一端时，限位片47可转动并抵接于防护片46的一端，限位片47靠近第一罩体36和第二罩体37的一端面一体凸设有两凸点48，两防护片46远离第一罩体36和第二罩体37的一端各开设有供凸点48嵌入的凹槽49。通过限位片47可定位防护片46至抵接于冷头4一端。

第一罩体36和第二罩体37的内表面粘接有防护绵层50。

本实施例的实施原理为：

当该超导磁体冷却系统工作时，液氮供液机5将液氮注入冷却管道10内，液氮沿着冷却管道10经过出口13后进入冷却铜管15内，再沿着冷却铜管15流至入口12并回流至冷却冷却管道10，最终流回液氮供液机5内，通过冷却管道10对杜瓦真空筒1的腔内温度进行降低，通过冷却铜管15对超导线圈3进行冷却。

本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超导磁体冷却系统，其特征在于：包括杜瓦真空筒(1)、设置于所述杜瓦真空筒(1)内的安装骨架(2)以及绕设在所述安装骨架(2)周侧端的超导线圈(3)，所述安装骨架(2)内预留有冷却管道(10)，所述安装骨架(2)的外周侧壁同轴开设有呈螺旋状的嵌设槽(14)，所述嵌设槽(14)内埋设有冷却铜管(15)，所述超导线圈(3)部分对齐并抵接于所述冷却铜管(15)，所述杜瓦真空筒(1)的侧端设置有液氮供液机(5)，所述液氮供液机(5)的回液端和供液端均连通于所述冷却管道(10)，所述冷却管道(10)远离所述液氮供液机(5)的一端连通于所述冷却铜管(15)，所述冷却管道(10)和所述冷却铜管(15)新形成冷却回路，所述杜瓦真空筒(1)的侧端于所述液氮供液机(5)的一侧设置有冷头(4)，所述冷头(4)连接于所述冷却铜管(15)的一端，所述安装骨架(2)外周侧端开设有连接槽(11)，所述连接槽(11)连通于所述冷却管道(10)和所述嵌设槽(14)，所述冷却管道(10)由所述液氮供液机(5)回液端连通至所述连接槽(11)侧壁的为入口(12)，所述冷却管道(10)由所述液氮供液机(5)供液端连通至所述连接槽(11)侧壁的为出口(13)，所述冷却铜管(15)的一端设置有进液连接头(17)以及出液连接头(18)，所述进液连接头(17)连通于入口(12)，所述出液连接头(18)连通于所述出口(13)。

2.根据权利要求1所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述冷却铜管(15)远离所述杜瓦真空筒(1)轴心的一侧端突出于所述嵌设槽(14)且开设有供部分所述超导线圈(3)嵌入的导冷槽(25)。

3.根据权利要求1所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述杜瓦真空筒(1)于所述安装骨架(2)的外周侧设置有第一真空筒(32)和第二真空筒(33)，所述第二真空筒(33)位于所述第一真空筒(32)的外周侧，所述第一真空筒(32)和所述第二真空筒(33)之间形成真空腔。

4.根据权利要求1所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述超导线圈(3)之间填充有环氧树脂胶条(26)，所述超导线圈(3)的外周侧包覆有特氟龙布(27)，所述特氟龙布(27)的内壁抵接于所述环氧树脂胶条(26)，所述特氟龙布(27)的外周侧涂覆有环氧树脂胶层(28)。

5.根据权利要求4所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述环氧树脂胶层(28)远离所述特氟龙布(27)的外侧壁开设有安装槽(29)，所述安装槽(29)内插入有梯度线圈(30)，所述梯度线圈(30)的外侧壁缠绕有降温导管(31)。

6.根据权利要求1所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述连接槽(11)内密封插入有连接块(23)，所述连接块(23)抵接所述连接槽(11)的两侧壁均开设有连通于所述冷却管道(10)的连接腔(24)，所述进液连接头(17)和所述出液连接头(18)均包括密封插接于所述连接块(23)且连通于所述连接腔(24)的连接管(19)，所述连接管(19)远离所述连接块(23)的一端密封插接于所述冷却铜管(15)的一端。

7.根据权利要求6所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述冷却铜管(15)在靠近所述连接管(19)的一端滑移套设有密封套(20)，所述密封套(20)的一端周向开设有多条形变槽(22)，所述密封套(20)的周侧螺纹套设有箍紧所述密封套(20)并趋使所述形变槽(22)收窄的箍紧套(21)。

8.根据权利要求1所述的超导磁体冷却系统，其特征在于：所述冷却管道(10)和所述冷却铜管(15)的截面呈腰型。

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