CN116031039B - 一种超导磁体传热系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超导磁体传热系统，包括：冷头、换热器、压缩机、换向阀、第一加热器和第二加热器，换热器设有制冷功能和制热功能，换向阀能够切换在制冷或制热模式下氦气流过的管路。这样，超导磁体传热系统可选择地设置制冷或制热模式，在制冷模式下，换热器开启制冷功能，从压缩机流出的氦气经过换热器后进入冷头，在制热模式下，换热器开启制热功能，从冷头流出的氦气经过换热器后进入压缩机。在更换冷头芯体时，超导磁体传热系统先开启制热模式，拔出冷头芯体后再接通第一加热器和第二加热器，能够提高加热效率。此外，第二加热器设置在填充氮化铝粉末的槽体中，能够均匀稳定的加热冷头。

Description

一种超导磁体传热系统

技术领域

本发明涉及电学技术领域，更具体地说，涉及一种超导磁体传热系统。

背景技术

无液氦超导磁体设备通过氦气闭循环降温系统，实现线圈超导，如说明书附图1所示，冷头01包括腔体02和芯体03，芯体03在腔体02内往复运动，交替循环高压气体腔和低压气体腔，吸入高压低温氦气，排出低压高温氦气。通常传导冷却的磁体，为了减小磁体的整体漏热以及提高冷头01的导冷效率，从而将腔体02永久固定在超导磁体内，而芯体03是个需要定期保养的部件，芯体03可以通过拔芯操作进行更换。在更换芯体03前，需要将腔体02从低温状态及时加热升温至室温状态，否则腔体02内温度较低时，在拔出芯体03的瞬间，空气进入腔体02，会导致腔体02内结霜和/或结冰，使得新的芯体03无法正常安装到腔体02内，从而造成更换芯体03的作业失败。

现有技术中，如说明书附图1-图3所示，在换热器04始终处于制冷模式下的传导冷却超导磁体，当更换芯体03时，磁体处于低温状态，如在4K温区，这时需要将腔体03加热到300K室温后进行拔芯操作，而加热的方式，一般为在冷头一级铜块05和冷头二级铜块06上分别安装一级加热器051和二级加热器061，并通过外接电源实现加热。这样，虽然不会在腔体02内产生冷凝水，能让冷头01在正常工作时，不会有结冰失效的风险，但是，这种加热方式，热量是通过固体传导，而冷头二级铜块06下面的铜底板07和超导线圈08上的导热铜板09之间连接有铜线010，因此，其中大量的热量会传导至超导线圈08上，造成超导线圈08温升过高，不利于后面的降温恢复。同时，加热时间较长，加热效率低，并且加热不均匀，局部会产生温度过高的风险，比如一级加热器051和二级加热器061有被烧毁的风险。

综上所述，如何在更换芯体时提供一种高效稳定的超导磁体传热系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种超导磁体传热系统，该超导磁体传热系统在更换冷头芯体时可以高效、均匀、稳定的加热冷头的腔体。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超导磁体传热系统，包括：

冷头；

换热器，与冷头通电连接，换热器设有制冷功能和制热功能，用于对氦气制冷或者制热；

压缩机，分别与冷头、换热器二者通电连接，用于压缩氦气；

换向阀，设于压缩机和冷头之间，换向阀用于切换在制冷或制热模式下氦气流过的管路，换向阀分别与压缩机、换热器、冷头三者管路连接，换向阀包括第一换向阀、第二换向阀和第三换向阀；

在制冷模式下，换热器开启制冷功能，从压缩机流出的氦气依次经过第一换向阀、换热器、第二换向阀、冷头和第三换向阀，最后回到压缩机，形成制冷回路；

在制热模式下，换热器开启制热功能，从压缩机流出的氦气依次经过第一换向阀、第三换向阀、冷头、第二换向阀、换热器、第三换向阀，最后回到压缩机，形成制热回路。

一种超导磁体传热系统，换向阀包括第一换向阀、第二换向阀和第三换向阀，第一换向阀分别与压缩机、第二换向阀、第三换向阀三者管路连接；第二换向阀分别与冷头、第一换向阀、第三换向阀三者管路连接；第三换向阀分别与压缩机、冷头、第一换向阀、第二换向阀四者管路连接。

一种超导磁体传热系统，换热器设于第一换向阀和第二换向阀之间，同时换热器设于第二换向阀和第三换向阀之间。

一种超导磁体传热系统，冷头设有第一铜板、第二铜板以及第三铜板，第二铜板的底面与第三铜板的顶面接触，第一铜板的顶面设有第一加热器，第二铜板设有第二加热器。

一种超导磁体传热系统，第二铜板的外壁围设有挡板，挡板的底面与第三铜板的顶面接触，挡板的内壁与第二铜板的外壁之间形成槽体，第二加热器设于槽体内。

一种超导磁体传热系统，槽体内填充用于导热的氮化铝粉末。

一种超导磁体传热系统，槽体内设有用于固定氮化铝粉末的固定体。

一种超导磁体传热系统，固定体的材料设为环氧树脂。

一种超导磁体传热系统，槽体内还设有用于备用加热的第三加热器。

一种超导磁体传热系统，还包括用于控制制冷模式或制热模式的开关。

相对于背景技术，本发明所提供的超导磁体传热系统包括：冷头、换热器、压缩机、换向阀，冷头分为冷头芯体和冷头腔体，换热器设有制冷功能和制热功能，通过对氦气制冷或者制热改变冷头的温度，压缩机压缩氦气，并经过换向阀管路连通冷头。这样，超导磁体传热系统可选择地设为制冷模式或者制热模式，在制冷模式下，换热器开启制冷功能，从压缩机流出的氦气经过换热器后进入冷头，在制热模式下，换热器开启制热功能，从冷头流出的氦气经过换热器后进入压缩机，换向阀用于切换在制冷或制热模式下氦气流过的管路。在在更换芯体时，先开启超导磁体传热系统的制热模式，拔出冷头芯体后再接通第一加热器和第二加热器，提高加热效率。此外，当冷头芯体拔出后，通过外接设置的第一加热器和第二加热器保持冷头腔体内的温度，为了避免加热不均匀，局部会产生温度过高的问题，第二加热器设置在填充氮化铝粉末的槽体中，这样能够均匀稳定的加热冷头，并且通过开关切换制冷模式或者制热模式，操作简单，具有良好的工艺性。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术所提供的超导磁体传热系统的示意图；

图2为现有技术所提供的冷头加热的示意图；

图3为现有技术所提供的芯体拔出后加热的示意图；

图4为本发明所提供的冷头的结构示意图；

图5为本发明所提供的制冷模式下的超导磁体传热系统的示意图；

图6为本发明所提供的制热模式下的超导磁体传热系统的示意图；

图7为本发明所提供的冷头加热器的结构示意图。

其中：

01-冷头、02-腔体、03-芯体、04-换热器、05-冷头一级铜块、051-一级加热器、06-冷头二级铜块、061-二级加热器、07-铜底板、08-超导线圈、09-导热铜板、010-铜线、

1-冷头、11-冷头芯体、111-管路接头、112-电接头、12-冷头腔体、121-第一铜板、122-第二铜板、123-第三铜板、

2-换热器、3-压缩机、

4-换向阀、41-第一换向阀、42-第二换向阀、43-第三换向阀、

5-第一加热器、6-第二加热器、61-第三加热器、

7-挡板、8-氮化铝粉末、9-固定体、10-开关、100-超导线圈、101-第四铜板、102-铜软线、110-冷屏、120-容器、130-接头、140-温度探头、150-电线、160-管路。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本申请实施例提供的超导磁体传热系统，可参考说明书附图4至附图7，包括：冷头1；换热器2，与冷头1通电连接，换热器2设有制冷功能和制热功能，用于对氦气制冷或者制热；压缩机3，分别与冷头1、换热器2二者通电连接，用于压缩氦气；换向阀4，设于压缩机3和冷头1之间，换向阀4分别与压缩机3、换热器2、冷头1三者管路连接；在制冷模式下，换热器2开启制冷功能，从压缩机3流出的氦气经过换热器2后进入冷头1，在制热模式下，换热器2开启制热功能，从冷头1流出的氦气经过换热器2后进入压缩机3，换向阀4用于切换在制冷或制热模式下氦气流过的管路。

冷头1设为一级冷头和二级冷头，包括冷头芯体11和冷头腔体12，一级冷头设于二级冷头的上方，超导线圈100设置在冷屏110内，冷屏110设置在容器120内，一级冷头设置在容器120内，二级冷头设于冷屏110内，超导线圈100上设有第四铜板101，第四铜板101通过铜软线102与冷头腔体12连接。冷头芯体11的上端设有管路接头111和电接头112，通过管路接头111使得冷头1和换向阀4之间设置管路160连接，以及换向阀4与换热器2和压缩机3之间设置管路160连接，冷头1、换热器2和压缩机3之间设有电线150，换热器2和压缩机3并联后通过电接头112再与冷头1串联，实现超导磁体传热系统的制冷或制热模式。本实施例中容器120保持在300K温区，冷屏110保持在50K温区，超导线圈100保持在4K温区，换热器2的具体设置温度根据实际情况设置，并且换热器2设为风冷换热器，当然，根据需要，换热器2也可以使用水冷换热器。

超导磁体传热系统可选择地设置为制冷模式或者制热模式，在正常工作下处于制冷模式，在压缩机3作用下的高压氦气经过换向阀4和制冷功能下的换热器2后进入冷头腔体12，此时，低温氦气通过冷头1将冷量传递给超导线圈100，随后在冷头芯体11往复运动下高压氦气变为低压氦气，再次经过换向阀4回流至压缩机3，形成循环。当需要更换冷头芯体11时，超导磁体传热系统处于制热模式，换热器2开启制热功能，在压缩机3的作用下的高压氦气经过换向阀4后直接进入冷头腔体12，随后在冷头芯体11往复运动下高压氦气变为低压氦气并带走冷头腔体12内的低温氦气，回流经过换向阀4和制热功能下的换热器2后，到达压缩机3，形成循环。

如说明书附图5至附图6所示，换向阀4包括第一换向阀41、第二换向阀42和第三换向阀43，第一换向阀41分别与压缩机3、第二换向阀42、第三换向阀43三者管路连接；第二换向阀42分别与冷头1、第一换向阀41、第三换向阀43三者管路连接；第三换向阀43分别与压缩机3、冷头1、第一换向阀41、第二换向阀42四者管路连接。换热器2设于第一换向阀41和第二换向阀42之间，同时换热器2设于第二换向阀42和第三换向阀43之间。

换向阀4通过第一换向阀41、第二换向阀42和第三换向阀43能够切换在制冷模式和制热模式下氦气循环的管路160。在制冷模式，氦气从压缩机3出发，依次经过第一换向阀41、换热器2、第二换向阀42、冷头1和第三换向阀43，最后回到压缩机3，形成制冷回路。在制热模式，氦气从压缩机3出发，依次经过第一换向阀41、第三换向阀43、冷头1、第二换向阀42、换热器2、第三换向阀43，最后回到压缩机3，形成制热回路。

冷头1设有第一铜板121、第二铜板122以及第三铜板123，第二铜板122的底面与第三铜板123的顶面接触，第一铜板121的顶面设有第一加热器5，第二铜板122设有第二加热器6。

在超导磁体传热系统的制热模式开启后，冷头腔体12升温至约300K的室温区后，第一加热器5和第二加热器6才开启，在更换冷头芯体11的过程中保持冷头腔体12的温度，只起到辅助加热的作用，这样第一加热器5和第二加热器6加热时间变短，而制热循环使得冷头腔体12的升温速度变快，加快更换冷头芯体11的动作，提高效率，此外，能够对超导线圈100的温度影响相对较低，便于后续的降温恢复。

第一加热器5和第二加热器6通过电线150与设置在容器120上的接头130连接通电，并且分别在第一铜板121上以及在第三铜板123下方的连接铜板上设置温度探头140，用来监测冷头1的温度，温度探头140同样通过电线150与设置在容器120上的接头130连接通电。

如说明书附图7所示，第二铜板122的外壁围设有挡板7，挡板7的底面与第三铜板123的顶面接触，挡板7的内壁与第二铜板122的外壁之间形成槽体，第二加热器6设于槽体内。

第二铜板122设置为围绕在冷头腔体12底部的环形套，在竖直方向延伸，由于第二铜板122设为筒体，其外表面较难固定第二加热器6，容易产生接触不良或者加热不均匀的问题，导致容易造成第二加热器6烧损。因此，本申请提供的实施例中，第二加热器6没有直接贴附在第二铜板122外壁，而是第二铜板122外壁围设挡板7，这样挡板7的内壁与第二铜板122的外壁之间形成槽体，将第二加热器6设于槽体内然后加入导热介质，可以将第二加热器6的热量及时均匀地传导至第二铜板122和第三铜板123上。

槽体内填充用于导热的氮化铝粉末8。氮化铝的导热性好，热膨胀系数小，并且具有粉末状属性，槽体内填充氮化铝粉末8，能够均匀的将第二加热器6的热量传导至第二铜板122和第三铜板123。当然，槽体内填充还能填充其他导热介质，只要满足第二加热器6的导热条件即可，本文不做限制。

槽体内位于设有用于固定氮化铝粉末8的固定体9。为了防止氮化铝粉末8在超导磁体运输或吊装过程中从槽体内溢出洒落，在氮化铝粉末8形成的筒体的上端面设有环形固定体9，固定体9设置在槽体内，使得氮化铝粉末8始终处于槽体内。

固定体9的材料设为环氧树脂。环氧树脂固化方便，附着力强，收缩性低，具有良好的绝缘性。将流动的环氧树脂浇灌在氮化铝粉末8的上表面，环氧树脂固化形成固定体9，能够全面覆盖固定氮化铝粉末8，并且操作简单，实用性好。当然，固定体9还能够采用其他结构或者材料，只要能够密封固定位于槽体内的氮化铝粉末8即可，本文不做限制。

槽体内还设有用于备用加热的第三加热器61。第三加热器61同样设于挡板7的内壁与第二铜板122的外壁之间形成的槽体内，当第二加热器6损坏失效时，第三加热器61可以通过电线150与接头130通电连接，代替第二加热器6加热。第三加热器61在槽体的具体位置，可以根据实际情况设置，本文不做限制。

超导磁体传热系统，还包括用于控制制冷或制热的开关10。通过开关10能够方便使用者操作切换超导磁体传热系统的制冷模式或者制热模式，提高更换冷头芯体11的效率。

如说明书附图5所示，在制冷模式下，压缩机3将氦气压缩形成高压氦气，高压氦气进入第一换向阀41后，进入换热器2进行换热降温，降温后的高压低温氦气经过第二换向阀42后，通过管路160连通到位于冷头芯体11左侧的管路接头111进入冷头腔体12内，受冷头芯体11的往复运动后，高压氦气在冷头腔体12内膨胀泄压，形成低温低压氦气，同时将冷量传导至第一铜板121、第二铜板122以及第三铜板123。交换完冷量的低压氦气，通过位于冷头芯体11右侧的管路接头111连通管路160，流经第三换向阀43后，重新进入压缩机3压缩成高压氦气，如此循环流动，形成制冷回路，实现对超导磁体的降温。第一铜板121固定在50K的冷屏110上，第二铜板122通过导热组件与超导线圈100连接，这样在制冷循环达到稳态时，冷屏110能维持在50K的温区，超导线圈100能维持在4K的温区，从而保证超导磁体的正常运行。

如说明书附图6所示，在制热模式下，经压缩机3压缩后的高压高温氦气，经过第一换向阀41和第三换向阀43，通过管路160连通位于冷头芯体11右侧的管路接头111，进入冷头腔体12内，在冷头腔体12内进行热量交换，将热量传递给第一铜板121、第二铜板122以及第三铜板123后，氦气降温，与此同时，氦气受冷头芯体11的往复运动，高压氦气在冷头腔体12内膨胀泄压，最终低温低压氦气通过与位于冷头芯体11左侧的管路接头111连通的管路160回流，在经过第二换向阀42后进入换热器2，在换热器2内换热升温后，经过第三换向阀43回流至压缩机3内，重新压缩形成高压高温氦气，如此循环流动，形成制热回路。

更换冷头芯体11的过程为：通过开关10开启制热模式，通过温度探头140，来监测冷头1的温度，当监测到温度达到室温状态，近似300K时，启动第一加热器5和第二加热器6，并且关闭压缩机3和冷头1，停止制热循环。将管路160、电线150从位于冷头1上的管路接头111、电接头112处分别断开，拔出冷头芯体11，安装新的冷头芯体11。待冷头腔体12内经过氦气多次置换后，关闭第一加热器5和第二加热器6，并分别将管路160、电线150安装到新的冷头芯体11上。最后通过开关10开启制冷模式，启动压缩机3和冷头1，使得超导磁体重新恢复温度值为4K的温区。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和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。

以上对本申请所提供的超导磁体传热系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超导磁体传热系统，其特征在于，包括：

冷头（1）；

换热器（2），与所述冷头（1）通电连接，所述换热器（2）设有制冷功能和制热功能，用于对氦气制冷或者制热；

压缩机（3），分别与所述冷头（1）、所述换热器（2）二者通电连接，用于压缩所述氦气；

换向阀（4），设于所述压缩机（3）和所述冷头（1）之间，所述换向阀（4）用于切换在制冷或制热模式下所述氦气流过的管路，所述换向阀（4）分别与所述压缩机（3）、所述换热器（2）、所述冷头（1）三者管路连接，所述换向阀（4）包括第一换向阀（41）、第二换向阀（42）和第三换向阀（43）；

在所述制冷模式下，所述换热器（2）开启所述制冷功能，从所述压缩机（3）流出的所述氦气依次经过所述第一换向阀（41）、所述换热器（2）、所述第二换向阀（42）、所述冷头（1）和所述第三换向阀（43），最后回到所述压缩机（3），形成所述制冷回路；

在所述制热模式下，所述换热器（2）开启所述制热功能，从所述压缩机（3）流出的所述氦气依次经过所述第一换向阀（41）、所述第三换向阀（43）、所述冷头（1）、所述第二换向阀（42）、所述换热器（2）、所述第三换向阀（43），最后回到所述压缩机（3），形成所述制热回路。

2.根据权利要求1所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述第一换向阀（41）分别与所述压缩机（3）、所述第二换向阀（42）、所述第三换向阀（43）三者管路连接；所述第二换向阀（42）分别与所述冷头（1）、所述第一换向阀（41）、所述第三换向阀（43）三者管路连接；所述第三换向阀（43）分别与所述压缩机（3）、所述冷头（1）、所述第一换向阀（41）、所述第二换向阀（42）四者管路连接。

3.根据权利要求2所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述换热器（2）设于所述第一换向阀（41）和所述第二换向阀（42）之间，同时所述换热器（2）设于所述第二换向阀（42）和所述第三换向阀（43）之间。

4.根据权利要求1所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述冷头（1）设有第一铜板（121）、第二铜板（122）以及第三铜板（123），所述第二铜板（122）的底面与所述第三铜板（123）的顶面接触，所述第一铜板（121）的顶面设有第一加热器（5），所述第二铜板（122）设有第二加热器（6）。

5.根据权利要求4所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述第二铜板（122）的外壁围设有挡板（7），所述挡板（7）的底面与所述第三铜板（123）的顶面接触，所述挡板（7）的内壁与所述第二铜板（122）的外壁之间形成槽体，所述第二加热器（6）设于所述槽体内。

6.根据权利要求5所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述槽体内填充用于导热的氮化铝粉末（8）。

7.根据权利要求6所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述槽体内设有用于固定所述氮化铝粉末（8）的固定体（9）。

8.根据权利要求7所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述固定体（9）的材料设为环氧树脂。

9.根据权利要求5所述的超导磁体传热系统，其特征在于，所述槽体内还设有用于备用加热的第三加热器（61）。

10.根据权利要求1所述的超导磁体传热系统，其特征在于，还包括用于控制制冷模式或制热模式的开关（10）。

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