CN115420034A

CN115420034A - 一种超导磁体极低温制冷机及其控制方法

Info

Publication number: CN115420034A
Application number: CN202211056889.6A
Authority: CN
Inventors: 田口智浩
Original assignee: Jiangsu Jiesi New Energy Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Jiesi New Energy Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2022-12-02

Abstract

本发明公开了一种超导磁体极低温制冷机及其控制方法，包括超导线圈，超导线圈热连接冷却管道，冷却管道的进口连接低温气体容器，冷却管道的出口连接室温气体缓冲容器，室温气体缓冲容器通过管道A连接压缩器，压缩器通过回流管道连接低温气体容器。能有效减少冷质部件的热负荷，热负荷小不仅使得磁体运行更稳定，而且对制冷量要求减少，采用本发明方法可以减少制冷量，从而降低成运行成本。

Description

一种超导磁体极低温制冷机及其控制方法

技术领域

本发明属于制冷技术领域，尤其是涉及一种冷却效果稳定，安全性好的一种超导磁体极低温制冷机及其控制方法。

背景技术

在液氢温度下，除氦气以外的其他气体杂质均已固化(尤其是固氧)，有可能堵塞管路而引起爆炸。因此原料氢必须严格纯化。这样，人们考虑新的制冷方法，如磁制冷方式。

磁制冷即利用磁热效应制冷。磁热效应是指磁制冷工质在等温磁化时放出热量，而绝热去磁时温度降低，从外界吸收热量。效率可达卡诺循环的30%~60%，而气体压缩-膨胀制冷循环一般仅为5%-10%。同时，磁制冷无须低温压缩机，使用固体材料作为工质，结构简单、体积小、重量轻、无噪声、便于维修、无污染。

但是，传统的磁制冷方式也存在问题，

1、要使超导体工作于超导态，应将其温度降至零点温度以下。需要用冷介质进行冷却。磁制冷低温冷却控制装置的冷却稳定性至关重要。

2、应性差。由于制冷机的负载有各种不同的运行模式。因而对制冷量的要求也会不一样。这希望制冷机在各种不同的模式下都能稳定地满足负载的需要。

3、自动化程度低。随着系统的大型化，复杂化，提高低温系统的自动化控制程度是不可避免的。

4、安全性能差。不能保证在失超或真空破坏时。磁体及低温系统置的安全。

因此，目前亟需开发一种冷却效果稳定安全性好的超导磁体制冷机及低成本制造液氢的方法。

发明内容

本发明针对现有技术的缺点，设计了一种超导磁体极低温制冷机，能有效减少冷质部件的热负荷，热负荷小不仅使得磁体运行更稳定，而且对制冷量要求减少，采用本发明方法可以减少制冷量，从而降低成运行成本。

本发明公开的技术方案如下：一种超导磁体极低温制冷机，包括超导线圈，超导线圈热连接冷却管道，冷却管道的进口连接低温气体容器，冷却管道的出口连接室温气体缓冲容器，室温气体缓冲容器通过管道A连接压缩器，压缩器通过回流管道连接低温气体容器。

在上述方案的基础上，作为优选，冷却管道的出口连接蓄冷器，蓄冷器通过管道B连接室温气体缓冲容器，低温气体容器连接热交换器，压缩器通过回流管道A连接蓄冷器，蓄冷器通过回流管道B连接热交换器的进口，热交换器的进口连接氦气源。

在上述方案的基础上，作为优选，冷却管道的进口通过阀门A接低温气体容器，冷却管道的出口通过管道C连接三通A，三通A连接蓄冷器的进口和回流管道B，蓄冷器的出口通过三通B分别连接管道B和回流管道A，管道B上具有阀门B，管道C上具有阀门C，回流管道A上具有阀门D，回流管道B上具有阀门E。

在上述方案的基础上，作为优选，还包括由热屏蔽板包围的空间A，超导线圈、冷却管道、低温气体容器、热交换器位于空间A内。

在上述方案的基础上，作为优选，还包括真空的空间B，空间A位于空间B内，蓄能器下端位于空间A内，上端位于空间B内，在空间B内还设置有低温冰箱，与热交换器的进口相连接的氦气管道穿过低温冰箱，室温气体缓冲容器、压缩器位于空间B外侧。

在上述方案的基础上，作为优选，还包括设置在所述空间A内的用于检测超导线圈温度的线圈温度计。

在上述方案的基础上，作为优选，还包括用于测量低温气体容器内压力的压力计，压力计的显示部分位于空间B外侧。

超导磁体极低温制冷机的控制方法，线圈温度计检测超导线圈的温度，当超导线圈需要冷却时，控制阀门A、阀门C、阀门E的开启以及阀门B、阀门D的关闭，将冷却起到导入冷却管道对超导线圈进行冷却，并将冷却超导线圈后的冷却气体导入蓄冷器收集冷后再导入室温气体缓冲容器进行暂存，在超导线圈达到低温时，控制阀门A、阀门C、阀门E的关闭以及阀门B、阀门D的开启，室温气体缓冲容器内的气体经压缩器后再经蓄冷器、热交换器进入低温气体容器

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

具备对冷却管道排出的气体进行加压的低温压缩器和气体冷却单元，将所述低温压缩器压缩的气体用所述气体冷却单元冷却后返回所述低温气体容器。

通过线圈温度计和阀门控制可改变冷却气体流量进而来控制被冷却物的冷却效果，相比于浸渍冷却方式，冷却温度没有受到特定冷媒沸点的制约，即使有热负荷变动，也能够稳定地冷却超导线圈等被冷却物。从而得到一个能提供超低温冷却效果稳定，安全性好的超导磁体制冷机及低成本制造液氢的方法。

本发明能有效减少冷质部件的热负荷，热负荷小不仅使得磁体运行更稳定，而且对制冷量要求减少，采用本发明方法可以减少制冷量，从而降低成运行成本。

本发明能有效适应各种不同的运行负载模式的超导磁体制冷机。在各种不同的模式下都能稳定地满足负载的需要。

附图说明

图1是本发明阀门A、B、C关闭D、E打开时的结构示意图；

图2是本发明阀门A、B、C打开D、E关闭时的结构示意图。

具体实施方式

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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

一种由冷却效果稳定安全性好的超导磁体制冷机，将加压后的气体在冷却状态下储存在低温气体容器中，根据超导线圈的温度打开冷却管道的阀门，气体通过冷却管道到达制冷机（超导线圈），具备对冷却管道排出的气体进行加压的低温压缩器和气体冷却单元，将所述低温压缩器压缩的气体用所述气体冷却单元冷却后返回所述低温气体容器。

具体的，超导磁体极低温制冷机，包括超导线圈，超导线圈热连接冷却管道，冷却管道的进口连接低温气体容器，低温气体容器连接热交换器，热交换器的进口连接氦气源，冷却管道的出口，冷却管道的出口连接蓄冷器，蓄冷器的出口通过管道B连接室温气体缓冲容器，室温气体缓冲容器通过管道A连接压缩器，压缩器通过回流管道A连接蓄冷器，蓄冷器通过回流管道B连接热交换器。

冷却管道的进口通过阀门A接低温气体容器，冷却管道的出口通过管道C连接三通A，三通A连接蓄冷器的进口和回流管道B，蓄冷器的出口通过三通B分别连接管道B和回流管道A，管道B上具有阀门B，管道C上具有阀门C，回流管道A上具有阀门D，回流管道B上具有阀门E。

在所述空间A内的用于检测超导线圈温度的线圈温度计。

图1和图2是表示本发明的超导磁体极低温制冷机的实施例1的两种状态的主要要素的示意配置图。图中，所有阀门在去除白色的情况下表示“打开”状态，在涂黑的情况下表示“关闭”状态。

参照图1，本实施例的装置由作为被冷却物的超导线圈1、作为气体冷却部件的低温冰箱2、低温气体容器3、与超导线圈1热连接的冷却管道4构成。另外，冷却管道4安装有冷却气体流量控制阀5（阀门A），在超导线圈1上安装有作为测定被冷却物的状态变化的手段的线圈温度计19，在低温气体容器3上安装有压力计20。

首先，在热负荷较少的图1的过程中，外部供给的氦气通过低温冰箱2经由热交换器10冷却，存储在低温气体容器3中。接着，如图2所示，在线圈温度计检测到超导线圈1的热负荷增加的情况下，打开冷却气体流量控制阀5，将低温的氦气向与超导线圈1热连接的冷却管道4流通，从而冷却超导线圈1。由此，冷冻能力增加，能够抑制热负荷增加时的超导线圈1的温度上升。

上述装置中，极低温工作系统（超导线圈、冷却管道、低温气体容器、热交换器）配置在由铜、铝等非磁性且良好传导的材料等构成的热屏蔽板12包围的空间A中，并且，除低温冰箱2的室温工作部、压力计20的显示部、室温气体缓冲容器7及压缩器8等室温工作系统以外放置在真空容器11（空间B）中。

上述方法通过充分冷却气体，可以对应冷冻能力的数倍变动，但在热负荷达到冷冻能力的数十倍的情况下也有效。例如，作为本发明的超导磁体极低温制冷机的一个实施方式的超导电力储存装置（SMES）在工作时有非常大的发热，即使使用本方式也不能抑制温度上升。但是，高温超导SMES允许一定程度的温度上升，只要能在1分钟左右的短时间内冷却到原来的温度即可，对于这个要求，本方法是有效的。

另外，冷却超导线圈1后的氦气被存储在室温缓冲容器7中，由压缩器8压缩，通过从大气压加压，再次返回到低温气体容器3。这样循环利用氦气不会浪费氦气。

在高温部和低温部之间设置了蓄冷器9，使输入的气体进行热交换。由此，通过利用图2的过程在蓄冷器中利用低温气体冷却蓄冷器9内部的蓄冷材料，用于冷却图1过程中填充至蓄冷器内的室温气体，降低对低温冰箱2的热负荷，提高整体的冷却效率。

在蓄冷器9中作为蓄冷材料，填充了比热大的铜、铁、铅或其合金或诸如ErNi2或DyNi2之类的磁性储冷材料。

在蓄冷器9的前后为了切换流道而配置高压入口阀15（阀门B）、高压出口阀16（阀门D）、低压入口阀17（阀门C）、低压出口阀18（阀门E）来控制气体的流动。

在热负荷增加少的情况下，超导线圈1的温度马上下降，所以用线圈温度计19检测该温度，关闭冷却气体流量控制阀5。这样，通过不使冷却气体白白流失，不仅可以提高冷却效率，还可以快速应对接下来的热负荷变动。

另外，在上述说明中，以开闭控制冷却气体流量控制阀5的情况为例进行了说明，但也可以根据线圈温度计多段地或连续地控制阀门开度。

所述的磁制冷机能保证在失超或真空破坏时。磁体及低温系统置的安全。

虽然为防止超导磁体失超，在超导磁体设计时也在尽量提高超导磁体的稳定性。但传统的超导磁体制冷机在系统设计时还是无法保证即使在超导磁体可能的最严重失超时，超导磁体及低温系统是绝对安全的。

超导磁体失超后立即执行失超保护，将其绝大部分能量泄放出来，但同时还有一部分能量沉积在超磁导体上，导致线圈中的低温氦膨胀而产生过压危险。如不及时处理，急剧膨胀的氦还会传播到氦制冷机中影响制冷机的正常运行。甚至破坏设备，因此是失超后的安全保护就显得极为重要。

本发明的解决方法是，当超导磁体失超时，用所述气体调节控制阀门切断超磁导体和制冷机之间的连接，同时打开阀门，将磁体中的氦传输到室温气体缓冲容器中。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种超导磁体极低温制冷机，其特征在于，包括超导线圈，超导线圈热连接冷却管道，冷却管道的进口连接低温气体容器，冷却管道的出口连接室温气体缓冲容器，室温气体缓冲容器通过管道A连接压缩器，压缩器通过回流管道连接低温气体容器。

2.如权利要求1所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，冷却管道的出口连接蓄冷器，蓄冷器通过管道B连接室温气体缓冲容器，低温气体容器连接热交换器，压缩器通过回流管道A连接蓄冷器，蓄冷器通过回流管道B连接热交换器的进口，热交换器的进口连接氦气源。

3.如权利要求2所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，冷却管道的进口通过阀门A接低温气体容器，冷却管道的出口通过管道C连接三通A，三通A连接蓄冷器的进口和回流管道B，蓄冷器的出口通过三通B分别连接管道B和回流管道A，管道B上具有阀门B，管道C上具有阀门C，回流管道A上具有阀门D，回流管道B上具有阀门E。

4.如权利要求3所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，还包括由热屏蔽板包围的空间A，超导线圈、冷却管道、低温气体容器、热交换器位于空间A内。

5.如权利要求4所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，还包括真空的空间B，空间A位于空间B内，蓄能器下端位于空间A内，上端位于空间B内，在空间B内还设置有低温冰箱，与热交换器的进口相连接的氦气管道穿过低温冰箱，室温气体缓冲容器、压缩器位于空间B外侧。

6.如权利要求5所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，还包括设置在所述空间A内的用于检测超导线圈温度的线圈温度计。

7.如权利要求5所述的超导磁体极低温制冷机，其特征在于，还包括用于测量低温气体容器内压力的压力计，压力计的显示部分位于空间B外侧。

8.超导磁体极低温制冷机的控制方法，其特征在于，线圈温度计检测超导线圈的温度，依据检测结果执行以下控制过程：当超导线圈需要冷却时，控制阀门A、阀门C、阀门E的开启以及阀门B、阀门D的关闭，将冷却起到导入冷却管道对超导线圈进行冷却，并将冷却超导线圈后的冷却气体导入蓄冷器收集冷后再导入室温气体缓冲容器进行暂存，在超导线圈达到低温时，控制阀门A、阀门C、阀门E的关闭以及阀门B、阀门D的开启，室温气体缓冲容器内的气体经压缩器后再经蓄冷器、热交换器进入低温气体容器。