CN115440461A - 用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法，包括制冷机、真空腔体、低温密封腔体、超导磁体以及导冷系统；低温密封腔体设置在真空腔体内，超导磁体放置在低温密封腔体内，制冷机的冷头伸入真空腔体内；导冷系统包括第一导冷条、柔性导冷条、导冷棒、第二导冷板、柔性导冷结构以及第一导冷板，柔性导冷条连接超导磁体和第一导冷条；第一导冷板与制冷机的冷头连接，第一导冷板通过柔性导冷结构与第二导冷板连接，第二导冷板与导冷棒穿出通孔的一端密封连接。实现从制冷机的冷头到超导磁体的传到冷却，同时可以对真空腔体内任意位置的制冷机的冷头进行连接，实现整个超导磁体系统更灵活紧凑的放置。

Description

用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法

技术领域

本发明涉及高温超导磁体领域，具体地，涉及一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法。

背景技术

超导磁体由于其可承载电流密度大，产生磁场高，无电流损耗等优势，广泛运用于MRI系统、磁悬浮等领域。为维持超导磁体中的超导线圈工作在超导状态，磁体必须工作在很低的温度中。现阶段，超导磁体中普遍使用制冷机制冷，通过相关导冷部件和储热介质对磁体进行传导冷却，从而确保超导磁体在低温中运行。

为了使超导磁体在脱机状态下仍能持续运行一段时间，通常将超导磁体置于低温腔中，周围填充高热容材料作为储热介质，从而在断电脱机运行时，通过储热介质维持低温腔的温度，保证超导磁体的正常工作。

在此基础上，制冷机冷头如何通过低温腔体、储热介质对超导磁体进行良好导冷的同时保持低温腔体的密封状态而避免储热介质从腔体中泄露是一种重要的研究课题。

目前部分技术采用无馈穿的形式对超导磁体进行导冷，即低温腔体无馈穿，制冷机冷头通过直接或间接地接触低温腔体表面，对低温腔体进行导冷，接着通过低温腔体将冷量传递到超导磁体线圈，然而由于低温腔体为保持其机械强度，通常采用导热系数不高的不锈钢或钛合金材料，其导热性能较差，导冷效果不佳。为克服这一问题，后续有部分技术通过采用导冷部件馈穿低温腔体，连接制冷机冷头和超导磁体的方式，从而实现良好的导冷效果，为保持低温腔体的密封性，往往会采用焊接的方法将导冷部件和低温腔体连接处进行密封。对于两种不同材料的焊接接头位置机械性能低于母材强度，焊接难度大，成本高，成品合格率低，使用寿命短，并且不可维修。

现有公告号为CN101615469B的中国专利申请文献，其公开了一种高热容材料保护的高温超导磁体系统，高温超导磁体置于低温容器内，高温超导磁体周围包裹高热容蓄冷材料。制冷机安装在真空容器内，制冷机的一级冷头通过第一热管和真空容器的冷屏相连。制冷机的二级冷头通过第二热管和低温容器相连，第二热管下端的第一、二导冷铜棒通过导冷片与高温超导磁体相连。

现有技术中的高温超导磁体系统只能满足对某一特定位置的制冷机冷头进行连接，对制冷机冷头放置位置的精度要求高，无法实现冷头灵活紧凑的放置；且动态环境下缓解相对振动的能力差，使制冷机冷头在运动过程中，受到来自低温腔体的应力，影响使用寿命，存在待改进之处。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构及拆装方法。

根据本发明提供的一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，包括制冷机、真空腔体、低温密封腔体、超导磁体以及导冷系统；所述低温密封腔体设置在真空腔体内，所述超导磁体放置在低温密封腔体内，所述超导磁体与低温密封腔体的内壁之间填充有储热介质，所述制冷机安装在真空腔体的侧壁上，且所述制冷机的冷头伸入真空腔体内；所述导冷系统包括第一导冷条、柔性导冷条、导冷棒、第二导冷板、柔性导冷结构以及第一导冷板，所述第一导冷条紧固安装在低温密封腔体的内壁上，所述柔性导冷条连接超导磁体和第一导冷条；所述低温密封腔体的侧壁上设置有通孔，所述导冷棒的一端与第一导冷条连接，所述导冷棒的另一端自通孔穿出低温密封腔体；所述第一导冷板与制冷机的冷头连接，所述第一导冷板通过柔性导冷结构与第二导冷板连接，所述第二导冷板与导冷棒穿出通孔的一端密封连接。

优选地，所述低温密封腔体侧壁上的通孔处设置有法兰；所述第二导冷板包括连接导冷板和密封导冷板，所述连接导冷板和密封导冷板连接，所述连接导冷板与柔性导冷结构连接，所述密封导冷板通过紧固件与导冷棒穿出通孔的一端连接；所述密封导冷板和背离法兰的一侧设置有盲板，所述盲板和法兰二者配合紧固安装密封导冷板。

优选地，所述密封导冷板和导冷棒的连接面涂有润滑脂层；所述紧固件包括螺栓，所述螺栓的螺纹端穿过密封导冷板，所述螺栓穿出密封导冷板的螺纹端旋入导冷棒，且所述螺栓帽与密封导冷板之间设置有第一垫片。

优选地，盲板、密封导冷板以及法兰三者通过紧固螺栓连接；所述盲板和密封导冷板二者设置有相对应的通孔，所述法兰上设置有相对应的螺纹盲孔，所述紧固螺栓依次穿过盲板上的通孔和密封导冷板上的通孔，且所述紧固螺栓穿出密封导冷板上的通孔的一端旋入法兰上的螺纹盲孔内。

优选地，所述法兰外侧与密封导冷板的接触面设置有第一密封刀口，所述盲板内侧与密封导冷板的接触面设置有第二密封刀口；所述第一密封刀口和第二密封刀口二者均包括斜楔结构。

优选地，所述第一导冷条通过螺栓紧固安装在低温密封腔体的内壁上，所述第一导冷条与导冷棒位于低温密封腔体的一端通过真空电子束钎焊连接。

优选地，还包括第三导冷板，所述第三导冷板设置在超导磁体的背部。

优选地，所述第一导冷板、第二导冷板、第三导冷板、第一导冷条以及导冷棒的材质均包括无氧铜；所述低温密封腔体的材质包括钛合金、铝合金以及铜中的任一种或任多种。

根据本发明提供的一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构的安装方法，包括如下步骤：

S1、将第一导冷条紧固安装在低温密封腔体内部，并通过柔性导冷条与超导磁体连接；

S2、将法兰电子束焊接于低温密封腔体的侧壁；

S3、将导冷板自法兰处中穿出，一端与第一导冷条焊接，另一端涂抹润滑脂；

S4、通过紧固件和第一垫片将第二导冷板的密封导冷板固定在导冷棒和法兰的外侧；

S5、通过紧固螺栓和第二垫片将盲板、密封导冷板以及法兰三者连接，通过旋转紧固螺栓使盲板上的第二密封刀口和法兰上的第一密封刀口均分别嵌入密封导冷板中；

S6、将柔性导冷结构的一端与制冷机冷头上的第一导冷板焊接，将柔性导冷结构的另一端与第二导冷板焊接。

根据本发明提供的一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构的拆卸方法，包括如下步骤：

M1、拧松盲板上的紧固螺栓，取下盲板；

M2、拧松密封导冷板上的紧固件，取下第二导冷板。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用柔性导冷结构、第一导冷板、第二导冷板、第一导冷条以及导冷棒，实现从制冷机的冷头到超导磁体的传到冷却，同时可以对真空腔体内任意位置的制冷机的冷头进行连接，实现整个超导磁体系统更灵活紧凑的放置。

2、本发明通过柔性导冷结构、柔性导冷条实现制冷机的冷头和第二导冷板之间、第一导冷条和超导磁体之间的柔性连接，使得在动态运行过程中，可以有效缓解由于超导磁体振动给制冷机的冷头带来的应力，从而延长制冷机使用寿命。

3、本发明通过设置在盲板上的第一密封刀口，设置在法兰上的第二密封刀口，通过拧紧紧固螺栓，使得第一密封刀口和第二密封刀口二者分别嵌入密封导冷板中，实现对低温密封腔体的机械密封，可靠性高，维修便捷。

4、本发明通过螺栓连接密封导冷板和导冷棒、通过紧固螺栓连接盲板、密封导冷板和法兰，实现了制冷机的冷头和导冷结构的可拆卸，便于安装维护，减少成本和人力。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现超导磁体的导冷结构示意图；

图2为本发明图1中局部A的放大图，主要体现密封和导冷部件结构示意图。

图中所示：1、真空腔体；2、低温密封腔体；3、制冷机；31、冷头；4、储热介质；5、超导磁体；6、第一导冷条；7、柔性导冷条；8、导冷棒；9、法兰；91、第一密封刀口；10、第二导冷板；101、密封导冷板；102、连接导冷板；103、第一垫片；11、盲板；111、第二密封刀口；112、紧固螺栓；113、第二垫片；12、柔性导冷结构；13、第一导冷板；14、第三导冷板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和图2所示，根据本发明提供的一种用于高温超导磁体密封低温密封腔体2的导冷结构，包括制冷机3、真空腔体1、低温密封腔体2、超导磁体5以及导冷系统。低温密封腔体2安装在真空腔体1内，超导磁体5安装在低温密封腔体2内，超导磁体5与低温密封腔体2的内壁之间填充有储热介质4，制冷机3安装在真空腔体1的侧壁上，且制冷机3的冷头31伸入真空腔体1内。导冷系统连接制冷机3的冷头31和超导磁体5。

需要注意的是储热介质4为高热容的材质，其使得超导磁体5在断电脱机状态下仍能维持工作所需的低温，并持续工作一段时间。低温密封腔体2的材质包括钛合金、铝合金以及铜中的任一种或任多种，本申请优选采用钛合金，其机械性能良好。高热容储热介质4采用固氮，清洁安全，储热性能好。

导冷系统包括第一导冷条6、柔性导冷条7、导冷棒8、第二导冷板10、柔性导冷结构12以及第一导冷板13，第一导冷条6通过螺栓紧固安装在低温密封腔体2的内壁上，柔性导冷条7连接超导磁体5和第一导冷条6。

低温密封腔体2的侧壁上设置有通孔，低温密封腔体2侧壁上的通孔处通过真空电子束装焊有法兰9，导冷棒8的一端与第一导冷条6连接，导冷棒8的另一端自通孔穿出低温密封腔体2和法兰9。

第一导冷条6为U型结构，通过螺栓固定在低温密封腔体2的内壁上，与超导磁体5通过柔性导冷条7相连，建立良好导冷通路，同时柔性连接可以有效防止第一导冷条6与超导磁体5振动不同步对超导线圈造成的损伤。第一导冷条6和导冷棒8之间通过真空电子束钎焊，以减小热阻，增强导冷。

第一导冷板13与制冷机3的冷头31连接，第一导冷板13通过柔性导冷结构12与第二导冷板10连接，第二导冷板10与导冷棒8穿出通孔的一端密封连接。

具体地，第二导冷板10位于法兰9和导冷棒8的外侧，第二导冷板10包括连接导冷板102和密封导冷板101，连接导冷板102和密封导冷板101连接为一体。连接导冷板102与柔性导冷结构12连接，密封导冷板101通过紧固件与导冷棒8穿出通孔的一端连接。密封导冷板101和背离法兰9的一侧安装有盲板11，盲板11和法兰9二者配合紧固安装密封导冷板101。

更为具体地，密封导冷板101和导冷棒8的连接面涂有润滑脂层，以增强导冷效果。紧固件包括螺栓，螺栓的螺纹端穿过密封导冷板101，螺栓穿出密封导冷板101的螺纹端旋入导冷棒8，且螺栓帽与密封导冷板101之间设置有第一垫片103。一种可行的实施方式为：第一垫片103采用低膨胀系数材料殷瓦钢制备，能够有效减少紧固螺栓112因连接件的材料低温下收缩不同步导致的预紧力减少的现象。

进一步地，盲板11、密封导冷板101以及法兰9三者通过紧固螺栓112连接。盲板11和密封导冷板101二者设置有相对应的通孔，法兰9上设置有相对应的螺纹盲孔，紧固螺栓112依次穿过盲板11上的通孔和密封导冷板101上的通孔，且紧固螺栓112穿出密封导冷板101上的通孔的一端旋入法兰9上的螺纹盲孔内。紧固螺栓112和螺帽和盲板11之间设置有第二垫片113，方便拆卸。

一种可行的实施方式为：第二导冷板10采用4N无氧铜制造，盲板11采用不锈钢制造，法兰9采用钛合金制造。第二垫片113采用低膨胀系数材料殷瓦钢制造，能够有效减少低温下的预紧力降低而导致密封失效的情况发生。

更进一步地，法兰9外侧与密封导冷板101的接触面设置有第一密封刀口91，盲板11内侧与密封导冷板101的接触面设置有第二密封刀口111；第一密封刀口91和第二密封刀口111二者均包括斜楔结构。通过拧紧盲板11上的紧固螺栓112，施加向内侧的力，使第一密封刀口91和第二密封刀口111紧紧嵌入密封导冷板101，实现刀口密封，避免低温密封腔体2中的高热容储热介质4泄露。

第一导冷板13、第二导冷板10、第一导冷条6以及导冷棒8的材质均包括6N无氧铜，导热性能好。

通过采用柔性导冷结构12、第一导冷板13、第二导冷板10、第一导冷条6以及导冷棒8，实现从制冷机3的冷头31到超导磁体5的传到冷却，同时可以对真空腔体1内任意位置的制冷机3的冷头31进行连接，实现整个超导磁体5系统更灵活紧凑的放置。

通过柔性导冷结构12、柔性导冷条7实现制冷机3的冷头31和第二导冷板10之间、第一导冷条6和超导磁体5之间的柔性连接，使得在动态运行过程中，可以有效缓解由于超导磁体5振动给制冷机3的冷头31带来的应力，从而延长制冷机3使用寿命。

一种优选地实施方式：还包括第三导冷板14，第三导冷板14的材质包括6N无氧铜，第三导冷板14安装在超导磁体5的背部，使超导磁体5平面温度分布更加均匀。

根据本发明提供的一种用于高温超导磁体5密封低温密封腔体2的导冷结构的安装方法，用于安装上述的一种用于高温超导磁体5密封低温密封腔体2的导冷结构，包括如下步骤：

S1、将第一导冷条6紧固安装在低温密封腔体2内部，并通过柔性导冷条7与超导磁体5连接。

S2、将法兰9电子束焊接于低温密封腔体2的侧壁。

S3、将导冷板自法兰9处中穿出，一端与第一导冷条6焊接，另一端涂抹润滑脂。

S4、通过紧固件和第一垫片103将第二导冷板10的密封导冷板101固定在导冷棒8和法兰9的外侧。

S5、通过紧固螺栓112和第二垫片113将盲板11、密封导冷板101以及法兰9三者连接，通过旋转紧固螺栓112使盲板11上的第二密封刀口111和法兰9上的第一密封刀口91均分别嵌入密封导冷板101中。

S6、将柔性导冷结构12的一端与制冷机3冷头31上的第一导冷板13焊接，将柔性导冷结构12的另一端与第二导冷板10焊接。

根据本发明提供的一种用于高温超导磁体5密封低温密封腔体2的导冷结构的拆卸方法，用于拆卸上述的一种用于高温超导磁体5密封低温密封腔体2的导冷结构，包括如下步骤：

M1、拧松盲板11上的紧固螺栓112，取下盲板11。

M2、拧松密封导冷板101上的紧固件，取下第二导冷板10。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，包括制冷机（3）、真空腔体（1）、低温密封腔体（2）、超导磁体（5）以及导冷系统；

所述低温密封腔体（2）设置在真空腔体（1）内，所述超导磁体（5）放置在低温密封腔体（2）内，所述超导磁体（5）与低温密封腔体（2）的内壁之间填充有储热介质（4），所述制冷机（3）安装在真空腔体（1）的侧壁上，且所述制冷机（3）的冷头（31）伸入真空腔体（1）内；

所述导冷系统包括第一导冷条（6）、柔性导冷条（7）、导冷棒（8）、第二导冷板（10）、柔性导冷结构（12）以及第一导冷板（13），所述第一导冷条（6）紧固安装在低温密封腔体（2）的内壁上，所述柔性导冷条（7）连接超导磁体（5）和第一导冷条（6）；

所述低温密封腔体（2）的侧壁上设置有通孔，所述导冷棒（8）的一端与第一导冷条（6）连接，所述导冷棒（8）的另一端自通孔穿出低温密封腔体（2）；

所述第一导冷板（13）与制冷机（3）的冷头（31）连接，所述第一导冷板（13）通过柔性导冷结构（12）与第二导冷板（10）连接，所述第二导冷板（10）与导冷棒（8）穿出通孔的一端密封连接。

2.如权利要求1所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，所述低温密封腔体（2）侧壁上的通孔处设置有法兰（9）；

所述第二导冷板（10）包括连接导冷板（102）和密封导冷板（101），所述连接导冷板（102）和密封导冷板（101）连接，所述连接导冷板（102）与柔性导冷结构（12）连接，所述密封导冷板（101）通过紧固件与导冷棒（8）穿出通孔的一端连接；

所述密封导冷板（101）和背离法兰（9）的一侧设置有盲板（11），所述盲板（11）和法兰（9）二者配合紧固安装密封导冷板（101）。

3.如权利要求2所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，所述密封导冷板（101）和导冷棒（8）的连接面涂有润滑脂层；

所述紧固件包括螺栓，所述螺栓的螺纹端穿过密封导冷板（101），所述螺栓穿出密封导冷板（101）的螺纹端旋入导冷棒（8），且所述螺栓帽与密封导冷板（101）之间设置有第一垫片（103）。

4.如权利要求2所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，盲板（11）、密封导冷板（101）以及法兰（9）三者通过紧固螺栓（112）连接；

所述盲板（11）和密封导冷板（101）二者设置有相对应的通孔，所述法兰（9）上设置有相对应的螺纹盲孔，所述紧固螺栓（112）依次穿过盲板（11）上的通孔和密封导冷板（101）上的通孔，且所述紧固螺栓（112）穿出密封导冷板（101）上的通孔的一端旋入法兰（9）上的螺纹盲孔内。

5.如权利要求2所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，所述法兰（9）外侧与密封导冷板（101）的接触面设置有第一密封刀口（91），所述盲板（11）内侧与密封导冷板（101）的接触面设置有第二密封刀口（111）；

所述第一密封刀口（91）和第二密封刀口（111）二者均包括斜楔结构。

6.如权利要求1所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，所述第一导冷条（6）通过螺栓紧固安装在低温密封腔体（2）的内壁上，所述第一导冷条（6）与导冷棒（8）位于低温密封腔体（2）的一端通过真空电子束钎焊连接。

7.如权利要求1所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，还包括第三导冷板（14），所述第三导冷板（14）设置在超导磁体（5）的背部。

8.如权利要求7所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，其特征在于，所述第一导冷板（13）、第二导冷板（10）、第三导冷板（14）、第一导冷条（6）以及导冷棒（8）的材质均包括无氧铜；

所述低温密封腔体（2）的材质包括钛合金、铝合金以及铜中的任一种或任多种。

9.一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构的安装方法，其特征在于，用于安装权利要求1-8任一项所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，安装方法包括如下步骤：

S1、将第一导冷条（6）紧固安装在低温密封腔体（2）内部，并通过柔性导冷条（7）与超导磁体（5）连接；

S2、将法兰（9）电子束焊接于低温密封腔体（2）的侧壁；

S3、将导冷板自法兰（9）处中穿出，一端与第一导冷条（6）焊接，另一端涂抹润滑脂；

S4、通过紧固件和第一垫片（103）将第二导冷板（10）的密封导冷板（101）固定在导冷棒（8）和法兰（9）的外侧；

S5、通过紧固螺栓（112）和第二垫片（113）将盲板（11）、密封导冷板（101）以及法兰（9）三者连接，通过旋转紧固螺栓（112）使盲板（11）上的第二密封刀口（111）和法兰（9）上的第一密封刀口（91）均分别嵌入密封导冷板（101）中；

S6、将柔性导冷结构（12）的一端与制冷机（3）冷头（31）上的第一导冷板（13）焊接，将柔性导冷结构（12）的另一端与第二导冷板（10）焊接。

10.一种用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构的拆卸方法，其特征在于，用于拆卸权利要求1-8任一项所述的用于高温超导磁体密封低温腔体的导冷结构，拆卸方法包括如下步骤：

M1、拧松盲板（11）上的紧固螺栓（112），取下盲板（11）；

M2、拧松密封导冷板（101）上的紧固件，取下第二导冷板（10）。

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