CN114520086A - 干式超导磁体的低温冷却装置、冷却系统及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种干式超导磁体的低温冷却装置、冷却系统及其运行方法，属于干式超导磁体的冷却技术领域。低温冷却装置的气体缓冲罐与蓄冷容器连通，且气体缓冲罐与蓄冷容器共同形成密闭腔，以使气体缓冲罐内的气体能够进入到蓄冷容器内冷却成固态冷媒以及蓄冷容器内升华后的固态冷媒能够进入到气体缓冲罐内。制冷机位于蓄冷容器外且被配置成将蓄冷容器内的气体冷却成固态冷媒，以及对干式超导磁体进行冷却；蓄冷容器被配置成固态冷媒升华时对干式超导磁体进行冷却。在制冷机停止工作的时候，可以减缓干式超导磁体的升温速率，延长干式超导磁体升温至温度阈值的时间，避免制冷机停机时干式超导磁体出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。
Description
技术领域
本申请涉及干式超导磁体的冷却技术领域，具体而言，涉及一种干式超导磁体的低温冷却装置、冷却系统及其运行方法。
背景技术
随着液氦价格的节节攀升以及氦资源本身的稀缺性，在各种使用场合分别尝试不同方法减少氦的使用及提高氦的使用效率。超导磁体常见的冷却方法是使用液氦来浸泡超导线圈，通常会使用几十升到上千升液氦来满足浸泡要求。为了提高氦的使用效率及减少对液氦的依赖，在各种各样的装置包括磁共振系统、NMR系统、科学仪器上都慢慢采取干式磁体。所谓的干式磁体指的是利用传导冷却的方式将制冷机的冷量传导到待冷却的磁体线圈上，线圈冷却到预期温度后实现超导态进而满足工作要求。干式磁体不需要大量的液氦浸泡只需要开启制冷机冷却即可，同时，在复温的情况下，也不会出现氦由于被冷介质温度上升而逃逸的情况。
干式磁体的方案同时也带来相应的问题。在设备运行过程中，不可避免出现停水、停电、制冷机停机的情况，磁体线圈会出现升温，如果探测到此类情况，磁体线圈可以主动降场降到安全值。但由于磁体线圈在低温下的热容小等原因，制冷机系统停止工作后，磁体线圈会快速升温并在超过阈值后会失超，则磁体线圈不再可以主动降场降到安全值。
发明内容
本申请的目的在于提供一种干式超导磁体的低温冷却装置、冷却系统及其运行方法，在制冷机停止工作的时候，可以减缓干式超导磁体的升温速率，延长干式超导磁体升温至温度阈值的时间，避免制冷机停机时干式超导磁体出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。
第一方面，本申请提供一种干式超导磁体的低温冷却装置，包括气体缓冲罐、蓄冷容器和制冷机。气体缓冲罐与蓄冷容器连通，且气体缓冲罐与蓄冷容器共同形成密闭腔，以使气体缓冲罐内的气体能够进入到蓄冷容器内冷却成固态冷媒以及蓄冷容器内升华后的固态冷媒能够进入到气体缓冲罐内。制冷机位于蓄冷容器外且被配置成将蓄冷容器内的气体冷却成固态冷媒，以及对干式超导磁体进行冷却；蓄冷容器被配置成固态冷媒升华时对干式超导磁体进行冷却。
在制冷机工作的时候，制冷机产生的冷量可以对干式超导磁体进行制冷，还可以对蓄冷容器制冷，蓄冷容器中的气压下降，气体缓冲罐中的气体进入到蓄冷容器中，由于蓄冷容器中的温度较低，可以使进入到蓄冷容器中的气体冷却成固态。当出现制冷机停机故障的时候，虽然制冷机不再产生冷量，但是蓄冷容器中的固态冷媒会升华成气体，其又会进入到气体缓冲罐内，同时，固态冷媒升华的时候吸收大量的热量，使蓄冷容器的温度降低(蓄冷容器的升温速率减慢)，也就可以减缓干式超导磁体的升温速率，延长干式超导磁体升温至温度阈值的时间，避免制冷机停机时干式超导磁体出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。同时，蓄冷容器和气体缓冲罐共同形成密闭腔，制冷机的冷头不需要伸入蓄冷容器内，避免冷头在低温下冷媒固化后性能衰减的问题；且气体在一个封闭循环腔中，减少维护的成本，使装置更加简单。
在一种可能的实施方式中，气体缓冲罐与蓄冷容器之间通过管道连通，管道外的靠近蓄冷容器的位置设置有温度传感器和加热器。
如果蓄冷容器中产生过多的固态冷媒，则可能会堵塞管道。所以，在管道的靠近蓄冷容器的一端设置温度传感器和加热器，一方面，如果温度传感器检测到管道内的温度过低的时候，说明管道内可能有固态冷媒，则开启加热器加热，使固态冷媒升华成气体；如果温度传感器检测到管道内的温度升高，则说明管道内的固态冷媒已经变成气体，则关闭加热器，以避免管道出现堵塞现象。
在一种可能的实施方式中，管道包括第一管道和第二管道，第一管道和第二管道均分别与气体缓冲罐和蓄冷容器连通，第一管道上设置有第一单向阀使气体缓冲罐内的气体可以进入到蓄冷容器内，第二管道上设置有第二单向阀使蓄冷容器内的气体可以进入到气体缓冲罐内。
气体缓冲罐内的气体从第一管道进入到蓄冷容器内，蓄冷容器内的气体从第二管道又进入到气体缓冲罐内，形成一个循环封闭空间。
在一种可能的实施方式中，制冷机包括一级冷头、二级冷头、冷屏和导冷带，一级冷头与冷屏连接，冷屏与蓄冷容器间隔设置，二级冷头与导冷带连接，导冷带与蓄冷容器的外壳连接。
一级冷头、二级冷头、冷屏和导冷带均位于蓄冷容器外，可以避免其在低温下冷媒固化后性能衰减的问题。并且可以先通过一级冷头和冷屏进行预降温，然后通过二级冷头和导冷带进行继续降温，以使蓄冷容器内的温度更低，并且能够将气体冷却成固态冷媒。
在一种可能的实施方式中，冷屏包裹蓄冷容器和导冷带；冷屏还用于包裹干式超导磁体。
冷屏的上述设置方式，可以对蓄冷容器、导冷带和干式超导磁体均进行预降温，可以使蓄冷容器中的温度更低，干式超导磁体的冷却效果更好。
在一种可能的实施方式中，导冷带为金属带。可以使蓄冷容器中的气体更加容易冷却成固态，也可以更加容易对干式超导磁体进行制冷。
在一种可能的实施方式中，蓄冷容器内设置有用于增加换热面积的换热件。可以使蓄冷容器内的气体与冷量的换热效果更好，以使气体能够快速凝华成固态冷媒。
在一种可能的实施方式中，换热件为泡沫金属，泡沫金属设置于蓄冷容器内且与蓄冷容器的内壁连接。
泡沫金属中有许多小孔洞，气体容易进入到泡沫金属内；同时，导冷带上的冷量也传递至泡沫金属，气体与冷量在泡沫金属的孔洞处进行热交换，使气体可以快速凝华成固态冷媒。
一方面，可以使泡沫金属与蓄冷容器的连接更加牢固，且连接界面处的热阻更小；另一方面，导冷带的冷量更加容易通过金属带传递至泡沫金属内，以便与气体进行热交换。
第二方面，本申请提供一种干式超导磁体的低温冷却系统，包括：干式超导磁体和上述低温冷却装置，干式超导磁体位于蓄冷容器外，且被配置成能够与蓄冷容器发生热交换。
第三方面，本申请提供一种上述低温冷却系统的运行方法，包括制冷机工作模式和制冷机停机模式。制冷机工作模式包括：制冷机工作产生冷量，冷量对蓄冷容器进行制冷，使从气体缓冲罐进入到蓄冷容器内的气体冷却成固态，且同时对干式超导磁体进行制冷。制冷机停机模式包括：蓄冷容器内的固态冷媒升华成气体进入到气体缓冲罐内，并吸热，以减缓蓄冷容器内的升温速率，从而减缓干式超导磁体的升温速率。
可以通过制冷机对干式超导磁体进行冷却；同时，在制冷机停机时，可以减缓干式超导磁体的升温速率，延长干式超导磁体升温至温度阈值的时间，避免制冷机停机时干式超导磁体出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。
在一种可能的实施方式中，气体缓冲罐内的气体为氮气或/和氖气。氮气和氖气的比热容较大，在制冷机停机的时候，可以进一步减缓干式超导磁体的升温速率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本申请的保护范围。
图1为本申请实施例提供的干式超导磁体的低温冷却系统的示意图；
图2为本申请实施例提供的蓄冷容器的结构示意图。
图标：100-干式超导磁体；210-气体缓冲罐；220-蓄冷容器；230-制冷机；241-第一管道；242-第二管道；243-温度传感器；244-加热器；231-一级冷头；232-二级冷头；233-冷屏；234-导冷带；250-换热件；251-泡沫金属。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
图1为本申请实施例提供的干式超导磁体的低温冷却系统的示意图。请参阅图1，本申请实施例中，干式超导磁体的低温冷却系统包括：干式超导磁体100和干式超导磁体的低温冷却装置，干式超导磁体的低温冷却装置用于对干式超导磁体100进行冷却，使其保持在超导态。
本申请实施例中，干式超导磁体的低温冷却装置包括气体缓冲罐210、蓄冷容器220和制冷机230。制冷机230位于蓄冷容器220外且被配置成将蓄冷容器220内的气体冷却成固态冷媒，以及对干式超导磁体100进行冷却，使其保持在超导态；蓄冷容器220被配置成固态冷媒升华时对干式超导磁体100进行冷却(干式超导磁体100位于蓄冷容器220外)。气体缓冲罐210与蓄冷容器220连通，且气体缓冲罐210与蓄冷容器220共同形成密闭腔，以使气体缓冲罐210内的气体能够进入到蓄冷容器220内冷却成固态冷媒以及蓄冷容器220内升华后的固态冷媒能够进入到气体缓冲罐210内。蓄冷容器220被配置成冷却蓄冷容器220内的气体。
上述低温冷却系统的运行方法包括制冷机230工作模式和制冷机230停机模式。对于制冷机230工作模式包括：制冷机230工作产生冷量，冷量可以对干式超导磁体100进行制冷，冷量还可以对蓄冷容器220进行制冷，蓄冷容器220中的气压下降，气体缓冲罐210中的气体进入到蓄冷容器220中，由于蓄冷容器220中的温度较低，可以使进入到蓄冷容器220中的气体冷却成固态，同时，蓄冷容器220中的冷量还可以对干式超导磁体100进行制冷。
制冷机230停机模式包括：蓄冷容器220内的固态冷媒升华成气体进入到气体缓冲罐210内，并吸热，以减缓蓄冷容器220内的升温速率，从而减缓干式超导磁体100的升温速率。当出现制冷机230停机故障的时候，虽然制冷机230不再产生冷量，但是蓄冷容器220中的固态冷媒会升华成气体，其又会进入到气体缓冲罐210内，同时，固态冷媒升华的时候吸收大量的热量，使蓄冷容器220的温度降低(蓄冷容器220的升温速率减慢)，也就可以减缓干式超导磁体100的升温速率，延长干式超导磁体100升温至温度阈值的时间，避免制冷机230停机时干式超导磁体100出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。同时，蓄冷容器220和气体缓冲罐210共同形成密闭腔，制冷机230的冷头不需要伸入蓄冷容器220内，避免冷头在低温下冷媒固化后性能衰减的问题；且气体在一个封闭循环腔中，减少维护的成本，使装置更加简单。
本申请实施例中，气体缓冲罐210内的气体可以是氮气或/和氖气(氮气、氖气，或氮气与氖气的混合气体)，氮气(氮气的比热容是0.2J/cm3.K)和氖气(氖气的比热容是0.5J/cm3.K)的比热容较大，在制冷机230停机的时候，可以进一步减缓干式超导磁体100的升温速率。
在其他实施例中，气体缓冲罐210内的气体还可以是其他比热容较大的气体，本申请不做限定，只要能够在制冷机230停机的时候，延长干式超导磁体100升温至温度阈值的时间的气体均在本申请的保护范围之内。
为了对气体缓冲罐210进行很好的使用，气体缓冲罐210上设置有安全阀和泄放/填充阀，以便对气体缓冲罐210内填充气体或将气体排出气体缓冲罐210，并且能够使气体缓冲罐210的使用更加安全。
本申请实施例中，气体缓冲罐210可以在空气环境下，也可以在真空环境下进行使用，本申请不做限定。
本申请实施例中，气体缓冲罐210与蓄冷容器220之间通过管道连通，管道外的靠近蓄冷容器220的位置设置有温度传感器243和加热器244。
如果蓄冷容器220中产生过多的固态冷媒，则可能会堵塞管道。所以，在管道的靠近蓄冷容器220的一端设置温度传感器243和加热器244，一方面，如果温度传感器243检测到管道内的温度过低的时候，说明管道内可能有固态冷媒，则开启加热器244加热，使固态冷媒升华成气体；如果温度传感器243检测到管道内的温度升高，则说明管道内的固态冷媒已经变成气体，则关闭加热器244，以避免管道出现堵塞现象。
在一个实施例中，管道有两条，包括第一管道241和第二管道242，第一管道241和第二管道242均分别与气体缓冲罐210和蓄冷容器220连通，第一管道241上设置有第一单向阀使气体缓冲罐210内的气体可以进入到蓄冷容器220内，第二管道242上设置有第二单向阀使蓄冷容器220内的气体可以进入到气体缓冲罐210内。
气体缓冲罐210内的气体从第一管道241进入到蓄冷容器220内，蓄冷容器220内的气体从第二管道242又进入到气体缓冲罐210内，形成一个循环封闭空间。第一管道241和第二管道242的靠近蓄冷容器220的一端的外壁上均设置有温度传感器243和加热器244，以通过两个温度传感器243和两个加热器244的配合避免第一管道241和第二管道242的堵塞。
在另一个实施例中，管道也可以是一条，当制冷机230工作的时候，气体缓冲罐210内的气体通过该管道进入到蓄冷容器220内；当制冷机230停机的时候，蓄冷容器220内的气体通过同一条管道进入到气体缓冲罐210内，以使气体缓冲罐210和蓄冷容器220共同形成密封循环空间。
本申请实施例中，制冷机230包括一级冷头231、二级冷头232、冷屏233和导冷带234，一级冷头231与冷屏233连接，冷屏233与蓄冷容器220间隔设置，二级冷头232与导冷带234连接，导冷带234与蓄冷容器220的外壳连接。
一级冷头231、二级冷头232、冷屏233和导冷带234均位于蓄冷容器220外，可以避免其在低温下冷媒固化后冷头性能衰减的问题。并且可以先通过一级冷头231和冷屏233(冷屏233的温度是50K左右)进行预降温，然后通过二级冷头232和导冷带234(导冷带234的温度是4K左右)进行继续降温，以使蓄冷容器220内的温度更低，并且能够将气体冷却成固态冷媒。
冷屏233包裹蓄冷容器220、导冷带234和干式超导磁体100。可以降低低温区的热负载。
通过制冷机230(制冷机230的导冷带234)对蓄冷容器220以及蓄冷容器220内的气体进行制冷以后，同时对干式超导磁体100进行制冷。为了使蓄冷容器220能够更好地对干式超导磁体100进行冷却，蓄冷容器220与干式超导磁体100的热阻更小。可选地，蓄冷容器220的外壳的外壁通过金属(铜(铜的比热容是7.65x10-3J/cm3.K)或铝)与干式超导磁体100连接。
可选地，导冷带为金属带。可以使蓄冷容器中的气体更加容易冷却成固态，也可以更加容易对干式超导磁体进行制冷。例如：导冷带234可以是铜带或铝带。利用高纯度铜带或者铝带来实现柔性连接(5N或以上)及高传热系数，且在连接界面处，选用氩弧焊接的方式来最小化接触热阻。
为了使进入蓄冷容器220内的气体能够在蓄冷容器220中进行快速冷却成固态。图2为本申请实施例提供的蓄冷容器220的结构示意图。请参阅图1和图2，可选地，蓄冷容器220内设置有用于增加换热面积的换热件250。
本申请实施例中，换热件250为泡沫金属251(例如：泡沫铜或泡沫铝)，泡沫金属251设置于蓄冷容器220内且与蓄冷容器220的内壁连接。
泡沫金属251中有许多小孔洞，气体容易进入到泡沫金属251内；同时，导冷带234上的冷量也传递至泡沫金属251，气体与冷量在泡沫金属251的孔洞处进行热交换，使气体可以快速凝华成固态冷媒。
可选地，泡沫金属251可以通过钎焊或锡焊的方式焊接在蓄冷容器220的内壁。泡沫金属251的形状可以根据蓄冷容器220的形状进行随意加工，以方便增加气体与蓄冷容器220的冷量之间的换热面积。
在另一个实施例中，换热件250还可以是翅片式换热结构，其也锡焊或钎焊在蓄冷容器220的内壁，以使气体快速冷却成固态。
本申请实施例提供的干式超导磁体的低温冷却系统的及其运行方法的有益效果包括：
(1)、制冷机230工作，能够对干式超导磁体100进行冷却，使其处于超导态，并且能够将蓄冷容器220内的气体冷却成固态冷媒；制冷机230停机，固态冷媒升华使蓄冷容器220的升温速率减慢，可以减缓干式超导磁体100的升温速率，延长干式超导磁体100升温至温度阈值的时间，避免制冷机230停机时干式超导磁体100出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。
(2)、蓄冷容器220和气体缓冲罐210共同形成密闭腔，制冷机230的冷头不需要伸入蓄冷容器220内，避免冷头在低温下冷媒固化后性能衰减的问题；且气体在一个封闭循环腔中，减少维护的成本，使装置更加简单。
(3)、蓄冷容器220内设置泡沫金属251，可以使蓄冷容器220内的气体快速冷却成固态，以便进一步避免制冷机230停机时干式超导磁体100出现失超的情况，增加系统的稳定性和灵活性。
以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
Claims (10)
1.一种干式超导磁体的低温冷却装置，其特征在于，包括：气体缓冲罐、蓄冷容器和制冷机；
所述气体缓冲罐与所述蓄冷容器连通，且所述气体缓冲罐与所述蓄冷容器共同形成密闭腔，以使所述气体缓冲罐内的气体能够进入到所述蓄冷容器内冷却成固态冷媒以及所述蓄冷容器内升华后的固态冷媒能够进入到所述气体缓冲罐内；
所述制冷机位于所述蓄冷容器外且被配置成将所述蓄冷容器内的气体冷却成所述固态冷媒，以及对所述干式超导磁体进行冷却；所述蓄冷容器被配置成所述固态冷媒升华时对所述干式超导磁体进行冷却。
2.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其特征在于，所述气体缓冲罐与所述蓄冷容器之间通过管道连通，所述管道外的靠近所述蓄冷容器的位置设置有温度传感器和加热器。
3.根据权利要求2所述的低温冷却装置，其特征在于，所述管道包括第一管道和第二管道，所述第一管道和所述第二管道均分别与所述气体缓冲罐和所述蓄冷容器连通，所述第一管道上设置有第一单向阀使所述气体缓冲罐内的气体可以进入到所述蓄冷容器内，所述第二管道上设置有第二单向阀使所述蓄冷容器内的气体可以进入到所述气体缓冲罐内。
4.根据权利要求1所述的低温冷却装置，其特征在于，所述制冷机包括一级冷头、二级冷头、冷屏和导冷带，所述一级冷头与所述冷屏连接，所述冷屏与所述蓄冷容器间隔设置，所述二级冷头与所述导冷带连接，所述导冷带与所述蓄冷容器的外壳连接。
5.根据权利要求4所述的低温冷却装置，其特征在于，所述冷屏包裹所述蓄冷容器和所述导冷带；所述冷屏还用于包裹所述干式超导磁体。
6.根据权利要求5所述的低温冷却装置，其特征在于，所述导冷带为金属带。
7.根据权利要求1-6任一项所述的低温冷却装置，其特征在于，所述蓄冷容器内设置有用于增加换热面积的换热件。
8.根据权利要求7所述的低温冷却装置，其特征在于，所述换热件为泡沫金属，所述泡沫金属设置于所述蓄冷容器内且与所述蓄冷容器的内壁连接。
9.一种干式超导磁体的低温冷却系统，其特征在于，包括：干式超导磁体和权利要求1-8任一项所述的低温冷却装置，所述干式超导磁体位于所述蓄冷容器外，且被配置成能够与所述蓄冷容器发生热交换。
10.一种权利要求9所述的低温冷却系统的运行方法，其特征在于，包括制冷机工作模式和制冷机停机模式：
所述制冷机工作模式包括：所述制冷机工作产生冷量，所述冷量对所述蓄冷容器进行制冷，使从所述气体缓冲罐进入到所述蓄冷容器内的气体冷却成固态，且同时对所述干式超导磁体进行冷却；
所述制冷机停机模式包括：所述蓄冷容器内的固态冷媒升华成气体进入到所述气体缓冲罐内，并吸热，以减缓所述蓄冷容器内的升温速率，从而减缓所述干式超导磁体的升温速率；
可选地，所述气体缓冲罐内的气体为氮气或/和氖气。
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