CN115938714A - 一种硼化镁线圈制冷系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超导线圈技术领域，特别涉及一种硼化镁线圈制冷系统。其中，一种硼化镁线圈制冷系统，包括：MgB2超导磁体、第一冷却循环管道和内部杜瓦，所述MgB2超导磁体和所述第一冷却循环管道均设置在所述杜瓦中，所述内部杜瓦中盛装有固氖，且所述MgB2超导磁体和第一冷却循环管道均被所述冷却介质包裹；本方案采用固氖对MgB2超导磁体进行固定，减少了机械应力扰动和其它应力影响，提高超导磁体在运行过程中的稳定性，通过冷却循环管道传导冷却和固氖冷却介质结合，加快了制冷传热效果，避免了由于热应力引起的超导储能磁体失超。
Description
技术领域
本发明涉及超导线圈技术领域，特别涉及一种硼化镁线圈制冷系统。
背景技术
二硼化镁(MgB2)超导体与Nb系列低温超导体和氧化物系列高温超导体相比，具有超导体临界温度高、制备成本低廉和临界磁场高的优势，然而MgB2超导磁体运行过程中易受到电磁、机械干扰，尤其是在运行中会产生热量损耗。若超导磁体运行过程中交流损耗未及时被低温系统及时带走，将导致磁体局部温度升高，在超导导体中诱发生成电阻态，磁体不能稳定在超导态，在扰动条件下运行参数超过临界参数，超导磁体易发生失超，对超导磁体正常运行造成严重影响，因此，对超导磁体进行冷却至关重要。
目前超导磁体冷却方式主要采用传导冷却：将被磁体和制冷机的冷头以固体导热方式实现冷却，但是传导冷却中制冷机制冷功率一般较低，当超导磁体在运行过程中扰动较大或励磁速度过快时，易出现超导磁体中突增的热量难以及时带走的问题。
发明内容
本发明提供了一种硼化镁线圈制冷系统，用于解决当超导磁体在运行过程中扰动较大或励磁速度过快时，导致超导磁体中突增的热量难以及时带走的问题。
本发明提供了一种硼化镁线圈制冷系统，包括：MgB2超导磁体、第一冷却循环管道和内部杜瓦；
所述MgB2超导磁体和所述第一冷却循环管道均设置在所述杜瓦中；
所述内部杜瓦中盛装有固氖，且所述MgB2超导磁体和第一冷却循环管道均被所述固氖包裹。
优选地，所述第一冷却循环管道通过旋转缠绕形成中空的柱体结构。
优选地，所述MgB2超导磁体设置在所述柱体结构的中空部分
优选地，所述MgB2超导磁体由超导线圈组成，所述超导线圈包括：二硼化镁超导带材和第二冷却循环管道，所述二硼化镁超导带材以螺旋绞线的方式绕制在所述第二冷却循环管道上。
优选地，所述第一冷却循环管道中和所述第二冷却循环管道中的冷却液均为液氦。
优选地，所述MgB2超导磁体由所述MgB2超导线圈旋转缠绕形成了中空的柱体结构。
优选地，所述第二冷却循环管道的两端均沿与水平垂直的方向穿过所述内部杜瓦的顶部，并与所述内部杜瓦的顶部固定连接。
优选地，还包括：外部杜瓦，所述外部杜瓦的内壁设有支架，所述内部杜瓦通过所述支架固定在所述外部杜瓦内，使得所述内部杜瓦的外壁与所述外部杜瓦的内壁不接触。
优选地，所述外部杜瓦与所述内部杜瓦之间的空隙由真空泵抽走空气制造真空环境。
优选地，所述第一冷却循环管道的上端沿与水平垂直的方向穿过所述内部杜瓦和所述外部杜瓦的顶部，所述第一冷却循环管道的下端沿水平方向穿过所述内部杜瓦和所述外部杜瓦的侧壁。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供一种硼化镁线圈制冷系统，包括：MgB2超导磁体、第一冷却循环管道和内部杜瓦，所述MgB2超导磁体和所述第一冷却循环管道均设置在所述杜瓦中，所述内部杜瓦中盛装有固氖，且所述MgB2超导磁体和第一冷却循环管道均被所述冷却介质包裹。
本发明采用固氖对MgB2超导磁体进行固定，减少了机械应力扰动和其它应力影响，提高超导磁体在运行过程中的稳定性，通过冷却循环管道传导冷却和固氖冷却介质结合，加快了制冷传热效果，避免了由于热应力引起的超导储能磁体失超。
附图说明
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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种硼化镁线圈制冷系统的透视图；
图2为本发明实施例中提供的一种硼化镁线圈制冷系统的MgB2超导磁体结构示意图。
图中，1为第二冷却循环管道入口，2为第二冷却循环管道出口，3为第一冷却循环管道入口，4为第一冷却循环管道出口，5为MgB2超导磁体，6为第一冷却循环管道，7为固氖，8为内部杜瓦，9为外部杜瓦，51为外层MgB2超导带材，52为内层MgB2超导带材，53为第二冷却循环管道，54为冷却液通道。
具体实施方式
目前已经被发现的超导材料众多，但实现商业应用的材料只有如下几种：低温超导体Nb3Sn和NbTi，高温超导体Bi-Sr-CaCu-O(Bi2212，Bi2223)、YBCO涂层导体和MgB2超导体。其中，MgB2超导体与Nb系列低温超导体和氧化物系列高温超导体相比，超导体临界温度高(39K，为NbTi的4倍，Nb3Sn的2倍)，制备成本低廉(远低于Nb3Sn，与NbTi持平)，临界磁场高(0K-60T，为NbTi的4倍，Nb3Sn的2倍)。然而MgB2超导磁体运行过程中易受到电磁、机械干扰，尤其是在运行中会产生热量损耗。如果超导磁体运行过程中交流损耗未及时被低温系统及时带走，将导致磁体局部温度升高，在超导导体中诱发生成电阻态，磁体不能稳定在超导态，在扰动条件下运行参数超过临界参数，超导磁体易发生失超，对超导磁体正常运行造成严重影响。
超导磁体冷却方式主要有两种方式：一是将被磁体和制冷机的冷头以固体导热方式实现冷却，称为传导冷却。另一种是通过低温冷却介质和超导磁体接触，以二者之间的热交换作为传热途径的冷却。
其中，制冷机传导冷却最大的优势在于操作方便、技术较为成熟，但是传导冷却中制冷机制冷功率一般较低，当超导磁体在运行过程中扰动较大或励磁速度过快时，易出现超导磁体中突增的热量难以及时带走，导致超导磁体就很容易失超的问题。
有鉴于此，本发明提供了一种硼化镁线圈制冷系统，用于提高超导磁体在运行过程稳定性，及时带走超导磁体中突增的热量，降低超导磁体失超的风险。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“中心”“内”、“外”、“顶”、“侧”、“水平”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。“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为了便于理解，请参阅图1，图1为本发明实施例中提供的一种硼化镁线圈制冷系统的透视图。本实施例中提供的一种硼化镁线圈制冷系统，包括：MgB2超导磁体5、第一冷却循环管道6和内部杜瓦8。其中，MgB2超导磁体5和第一冷却循环管道6均设置在内部杜瓦8中，内部杜瓦8中盛装有固氖7，且MgB2超导磁体5和第一冷却循环管道8均被固氖7包裹，使得MgB2超导磁体5和第一冷却循环管道8固定在固氖7中。由于使用环绕管道直接对MgB2超导磁体进行冷却需要口径更细的管道细密的环绕MgB2超导磁体，这将大大增加了环绕管道的长度和制作成本。因此，在本实施例中，为保证MgB2超导磁体运行中产生的热量被及时带走，利用固氖包裹MgB2超导磁体，避免使用环绕管道直接制冷，降低了制作成本和难度，同时MgB2超导磁体浸入凝固在固氖中，可完全细致地包裹MgB2超导磁体，从而保证了制冷传热效果，另外，固氖包裹住MgB2超导磁体，以其固体形态约束超导储能磁体在工作时产生的热膨胀和应力变化，避免由于热应力引起超导储能磁体失超。
在本实施例中将二硼化镁超导线圈磁体放入固氖冷却，由固氖将二硼化镁超导线圈磁体外形固定，减少机械应力扰动和其它应力影响，同时由液氦管道作为固氖的直接冷源和二硼化镁超导线圈磁体的间接冷源，使得二硼化镁超导线圈磁体产生的热量及时被带走，避免超导磁体失超。
可以理解的是，本实施例的内部杜瓦8为密封状态，避免固氖的泄露。
具体的，本实施例的内部杜瓦8中初始充入的为液氖，在使用过程中，第一冷却循环管道6传导的低温使得液氖中的氖元素由液态凝固成固态，并在凝固过程中贴合包裹MgB2超导磁体5。MgB2超导磁体先放入液氖中，之后再固化液氖，使得固氖细致的包裹住MgB2超导磁体，即保证了制冷效果，又可以约束MgB2超导磁体由于交流损耗产生的热量而引起的热膨胀和应力变化，增强其热稳定性。现有技术中采用固氖作为冷却介质时，一般都是采用液氖填充，然后进行冷却固化形成固氖，但在现有技术中一般需要外加装置进行冷却固化液氖，而本实施例中采用了第一冷却循环管道，且第一冷却循环管道被包裹于液氖中，在使用冷却循环管道时，就可对液氖进行冷却，满足制冷需要，无需外加装置进行冷却，简化了固化液氖的操作过程。
作为进一步的改进，第一冷却循环管道6通过旋转缠绕形成中空的柱体结构。采用中空的柱体结构可以使得内部杜瓦8中的固氖7受到均匀的冷却，从而及时带走MgB2超导磁体的热量，进一步提高MgB2超导磁体的热稳定性。
具体的，上述柱体结构可选自但不限于圆柱、正棱柱、三棱柱、五棱柱中的一种。优选为圆柱形，圆柱形的冷却循环管道方便制作，并且管道中的冷却液也更容易流动。
在一具体的实施例中，第一冷却循环管道6通过旋转缠绕形成的柱体结构的高与水平方向垂直，采用这样安装第一冷却循环管道6更稳定，不易晃动，也更利于MgB2超导磁体5的安装和固定。
在另一具体的实施例中，第一冷却循环管道6通过旋转缠绕形成的柱体结构的高与水平方向水平，虽然这样安装也能起到均匀散热的效果，但不易制作。
作为进一步的改进，MgB2超导磁体5设置在第一冷却循环管道6的柱体结构的中空部分。MgB2超导磁体5被第一冷却循环管道6围绕，能够更快的进行热传导，加快冷却效率，避免固氖中局部温度过高。
作为进一步的改进，MgB2超导磁体5由MgB2超导线圈组成，所述超导线圈包括：二硼化镁超导带材和第二冷却循环管道53，二硼化镁超导带材以螺旋绞线的方式绕制在第二冷却循环管道53上。超导磁体材料MgB2带材环绕在口径更细的冷却循环管道周围，进一步提高了超导磁体的制冷效果，能够及时将磁体工作产生的热量带走，维持磁体热稳定性。
请参阅图2，在一具体实施例中提供的一种硼化镁线圈制冷系统的MgB2超导线圈结构示意图。MgB2超导线圈包括：外层MgB2超导带材51、内层MgB2超导带材52、第二冷却循环管道53和冷却液通道54。外层MgB2超导带材51以螺旋绞线的方式绕制在第二冷却循环管道53上，其中，外层MgB2超导带材51包括两层MgB2超导带材，两层MgB2超导带材的旋转方向相反，且两层MgB2超导带材之间设置有绝缘层。
作为进一步的改进，第一冷却循环管道6中和第二冷却循环管道5中的冷却液均为液氦。采用液氦作为循环冷却液可以达到更低的温度，使得液氖凝固为固氖，包裹固定固氖中的MgB2超导磁体。
作为进一步的改进，MgB2超导磁体5由MgB2超导线圈旋转缠绕形成了中空的柱体结构。设置为中空的柱体结构，能让MgB2超导线圈的外部均接触到固氖，加快散热速度，也能让MgB2超导磁体5嵌入到固氖7中，使MgB2超导磁体5更稳定。
在一具体的实施例中，MgB2超导磁体的柱体结构与第一冷却循环管道的柱体结构的开口方向相同，便于MgB2超导磁体的安装固定，也利于MgB2超导磁体各部分与第一冷却循环管道保持相对均匀距离，避免MgB2超导磁体各部分温度不均匀，更利于MgB2超导磁体的温度控制。
在另一具体的实施例中，MgB2超导磁体的柱体结构的为圆柱形，设置为圆柱形，更利于制作，也能避免超导带弯折。
作为进一步的改进，第二冷却循环管道53的两端均沿与水平垂直的方向穿过内部杜瓦8的顶部，并与内部杜瓦8的顶部固定连接，使得第二冷却循环管道53悬吊在内部杜瓦中，让整个MgB2超导磁体被固氖包裹，进一步提高对硼化镁线圈的冷却效果。
作为进一步的改进，硼化镁线圈制冷系统还包括：外部杜瓦9，外部杜瓦9的内壁设有支架，内部杜瓦8通过支架固定在外部杜瓦9内，使得内部杜瓦的外壁与外部杜瓦的内壁不接触。
具体的，内部杜瓦8的外壁与外部杜瓦9的内壁不接触可以是：外部杜瓦的底部设有支架，内部杜瓦设置在支架上，通过支架使得内部杜瓦与外部杜瓦固定连接，且使得内部杜瓦的外壁与外部杜瓦的内壁不接触；内部杜瓦8的外壁与外部杜瓦9的内壁不接触还可以是：外部杜瓦的顶部设有吊杆，内部杜瓦设置在吊杆上，通过吊杆使得内部杜瓦与外部杜瓦固定连接，且使得内部杜瓦的外壁与外部杜瓦的内壁不接触。
作为进一步的改进，外部杜瓦9与内部杜瓦8之间的空隙部分由真空泵抽走空气制造真空环境，从而减少内部杜瓦8与环境的热交换，避免环境温度干扰制冷系统，进一步提高硼化镁线圈制冷系统的制冷效果。
作为进一步的改进，第一冷却循环管道6上端沿与水平垂直的方向穿过内部杜瓦8和外部杜瓦9的顶部，第一冷却循环管道6的下端沿水平方向穿过内部杜瓦8和外部杜瓦9的侧壁。第一冷却循环管道的上下两端分别沿不同的方向，可以使得第一冷却循环管道中的冷却液依次流动到不同位置，不会在整个内部杜瓦中重复循环，避免使用过的冷却液导致固氖温度升高，提高冷却效果。
在一具体的实施例中，第一冷却循环管道6的冷却液是从上端的进入，从下端的输出。
在另一具体的实施例中，第一冷却循环管道6的冷却液是从下端进入，从上端输出，这样循环可以使得管道中充满冷却液，具有更好的冷却效果。
以上对本发明所提供的一种硼化镁线圈制冷系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，包括：MgB2超导磁体、第一冷却循环管道和内部杜瓦；
所述MgB2超导磁体和所述第一冷却循环管道均设置在所述杜瓦中；
所述内部杜瓦中盛装有固氖，且所述MgB2超导磁体和第一冷却循环管道均被所述固氖包裹。
2.根据权利要求1所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述第一冷却循环管道通过旋转缠绕形成中空的柱体结构。
3.根据权利要求2所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述MgB2超导磁体设置在所述柱体结构的中空部分。
4.根据权利要求1所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述MgB2超导磁体由MgB2超导线圈组成，所述超导线圈包括：二硼化镁超导带材和第二冷却循环管道，所述二硼化镁超导带材以螺旋绞线的方式绕制在所述第二冷却循环管道上。
5.根据权利要求4所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述第一冷却循环管道中和所述第二冷却循环管道中的冷却液均为液氦。
6.根据权利要求4所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述MgB2超导磁体由所述MgB2超导线圈旋转缠绕形成了中空的柱体结构。
7.根据权利要求4所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述第二冷却循环管道的两端均沿与水平垂直的方向穿过所述内部杜瓦的顶部，并与所述内部杜瓦的顶部固定连接。
8.根据权利要求1所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，还包括：外部杜瓦，所述外部杜瓦的内壁设有支架，所述内部杜瓦通过所述支架固定在所述外部杜瓦内，使得所述内部杜瓦的外壁与所述外部杜瓦的内壁不接触。
9.根据权利要求8所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述外部杜瓦与所述内部杜瓦之间的空隙由真空泵抽走空气制造真空环境。
10.根据权利要求8所述的硼化镁线圈制冷系统，其特征在于，所述第一冷却循环管道的上端沿与水平垂直的方向穿过所述内部杜瓦和所述外部杜瓦的顶部，所述第一冷却循环管道的下端沿水平方向穿过所述内部杜瓦和所述外部杜瓦的侧壁。
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