CN116913641A - 用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体及其快速降温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体及其快速降温方法，包括有真空容器、超导线圈组件、制冷机、快速降温组件，真空容器包括有外筒、上端板、下端板、内筒；超导线圈组件位于外筒和内筒之间，超导线圈组件包括有线圈骨架、超导线圈；上端板上连接有控制塔，制冷机安装在控制塔上，制冷机包括有一级冷头和二级冷头，所述二级冷头通过第一导冷连接件连接导冷板，一级冷头和二级冷头均位于控制塔内部；快速降温组件包括有绝缘支撑杆、导冷杆、换热块。本发明中，超导磁体装置使用了无液氦结构，解决了常规MCZ超导磁体使用液氦多成本高等问题，超导磁体的降温速度快、降温效果好，超导磁体低温超导状态更加稳定。

Description

用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体及其快速降温方法

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，具体涉及用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体及其快速制冷方法。

背景技术

磁控直拉单晶技术(MCZ)为在常规的直拉单晶方法的基础上，在单晶炉外侧施加强磁场，对熔体的热对流进行抑制，降低晶体的杂质含量,提高纵向和径向杂质分布不均匀性,从而降低单晶硅的氧含量，提升单晶硅的品质。传统的MCZ法中的一般使用永磁体或常规电磁场。其产生的磁场往往不高，对熔体的热对流抑制效果较为普通。随着超导磁体技术的发展，越来越多的磁控直拉单晶设备配置了MCZ超导磁体。常规的MCZ超导磁体往往需要大量液氦对超导线圈进行冷却，其成本高居不下。目前半导体级的超导磁体约500万元+/台，光伏级约300万元+/台，仅在半导体级拉晶设备中得到广泛应用，在光伏领域尚处于低占有率水平。因此，需要进一步降低超导磁体的使用成本，才能存进超导磁体的推广应用，促进技术的迭代升级。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，包括有真空容器、超导线圈组件、制冷机、快速降温组件，

所述真空容器包括有外筒、上端板、下端板、内筒，所述内筒置于外筒内部，内筒的上端和外筒的上端之间通过上端板连接，内筒的下端和外筒的下端之间通过下端板连接；

所述超导线圈组件位于外筒和内筒之间，超导线圈组件包括有线圈骨架、超导线圈，超导线圈安装在线圈骨架上，线圈骨架的上端连接有导冷环，线圈骨架包括有竖直设置的导冷板，导冷板的两侧分别连接有若干导冷带，导冷带分别贴向超导线圈；

所述上端板上连接有控制塔，制冷机安装在控制塔上，制冷机包括有一级冷头和二级冷头，所述二级冷头通过第一导冷连接件连接导冷板，一级冷头和二级冷头均位于控制塔内部；

所述快速降温组件包括有绝缘支撑杆、导冷杆、换热块，所述导冷杆的上端连接绝缘支撑杆，导冷杆的下端连接换热块，换热块位于导冷环上方，所述控制塔上设有供绝缘支撑杆的上端活动穿过的通孔，绝缘支撑杆的上端穿过通孔后固定连接有调节板，调节板的四周设有若干安装孔，安装孔内分别插有螺杆，螺杆的下端固定连接控制塔，螺杆的上端活动穿过安装孔后螺纹连接有调节螺母，螺杆上套有弹簧，弹簧夹在调节板和控制塔之间，所述导冷杆通过第二导冷连接件连接一级冷头。

作为上述技术方案的优选，所述超导线圈通过超导接头连接电源，超导接头安装在导冷板上，导冷板上还安装有失超保护模块和超导开关，超导开关与超导线圈并联设置。

作为上述技术方案的优选，所述超导线圈分成若干组，每一组超导线圈之间并联设置，失超保护模块分别连接每一组超导线圈。

作为上述技术方案的优选，所述超导线圈、超导接头以及超导开关形成闭合回路。

作为上述技术方案的优选，所述控制塔上安装有真空计和真空管，真空管的一端连通真空容器内部，另一端连接抽真空设备，真空管手上安装有真空阀门，真空计用于测量真空容器内部真空度。

作为上述技术方案的优选，所述线圈骨架上绕有帮扎带，帮扎带包住超导线圈，导冷带分别与帮扎带贴合。

作为上述技术方案的优选，所述调节板与控制塔之间通过波纹管连接，所述绝缘支撑杆位于波纹管的内部。

作为上述技术方案的优选，所述真空容器内设有防辐射屏，超导线圈组件位于防辐射屏内部。

作为上述技术方案的优选，所述第一导冷连接件、第二导冷连接件为柔软的铜带或铜片。

用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温方法，包括有以下步骤：

步骤1：对真空容器进行抽真空，保证超导磁体内部辐射漏热及残余气体漏热处于低水平状态；

步骤2：转动快速降温组件上的调节螺母，控制导冷杆下降，使换热块与导冷环接触，此时弹簧处于压缩状态；

步骤3：打开制冷机，对超导磁体进行降温，此时制冷机一级冷头的冷量通过第二导冷连接件、导冷杆、换热块传导到导冷环；同时二级冷头通过第一导冷连接件、导冷板、导冷带，共同对超导线圈进行降温；

和步骤4：待超导线圈降温到40K时，控制快速降温组件的调节螺母，使换热块与导冷环分离，超导线圈组件由二级冷头继续进行降温；

步骤5：待超导线圈降温至4.2K以下后，固定调节螺母，完成用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温。

本发明的有益效果是：本发明提供了用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体及其快速降温方法，超导磁体装置使用了无液氦结构，解决了常规MCZ超导磁体使用液氦多成本高等问题，超导磁体的降温速度快、降温效果好，超导磁体低温超导状态更加稳定。

附图说明

图1是超导线圈组件的结构示意图；

图2是本发明的截面结构示意图；

图3是调节板的结构示意图；

图4是本发明的快速降温方法测试结果示意图；

图5是超导线圈及超导开关的电路结构图；

图6是超导线圈的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，也可以是电连接；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发明中的具体含义。

如图1-6所示，用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，包括有真空容器1、超导线圈组件、制冷机2、快速降温组件，

所述真空容器1包括有外筒3、上端板4、下端板5、内筒6，所述内筒6置于外筒3内部，内筒6的上端和外筒3的上端之间通过上端板4连接，内筒6的下端和外筒3的下端之间通过下端板5连接；

所述超导线圈组件位于外筒3和内筒6之间，超导线圈组件包括有线圈骨架7、超导线圈，超导线圈安装在线圈骨架7上，线圈骨架7的上端连接有导冷环8，线圈骨架7包括有竖直设置的导冷板9，导冷板9的两侧分别连接有若干导冷带10，导冷带10分别贴向超导线圈。超导线圈的结构如图6所示，超导线圈呈鞍形。单个鞍形的超导线圈由4个直边段和4个圆弧段构成。相比其他类型线圈，如4螺线管或圆弧形线圈等结构，相同磁场下，导线成本更低，磁场均匀性更好。

所述上端板4上连接有控制塔11，制冷机2安装在控制塔11上，制冷机2包括有一级冷头12和二级冷头13，所述二级冷头13通过第一导冷连接件14连接导冷板9，一级冷头12和二级冷头13均位于控制塔11内部。二级冷头13的冷量通过第一导冷连接件14、导冷板9、导冷带10传递到超导线圈上，并在超导磁体的工作时持续提供冷量。

所述快速降温组件包括有绝缘支撑杆15、导冷杆16、换热块17，所述导冷杆16的上端连接绝缘支撑杆15，导冷杆16的下端连接换热块17，换热块17位于导冷环8上方，所述控制塔11上设有供绝缘支撑杆15的上端活动穿过的通孔，绝缘支撑杆15的上端穿过通孔后固定连接有调节板18，调节板18的四周设有若干安装孔，安装孔内分别插有螺杆19，螺杆19的下端固定连接控制塔11，螺杆19的上端活动穿过安装孔后螺纹连接有调节螺母20，螺杆19上套有弹簧21，弹簧21夹在调节板18和控制塔11之间，所述导冷杆16通过第二导冷连接件22连接一级冷头12。一级冷头12的冷量通过第二导冷连接件22、导冷杆16、换热块17、导冷环8传递给超导线圈。对超导线圈形成快速降温。在不使用液氦的情况下，提高了设备启动时超导磁体的冷切效率，减少了液氦使用的成本，也不需要液氦容器，极大的节省了液氦消耗成本及制造成本。

进一步的，所述超导线圈通过超导接头23连接电源，超导接头23安装在导冷板9上，导冷板9上还安装有失超保护模块24和超导开关25，超导开关25与超导线圈并联设置。

进一步的，所述超导线圈分成若干组，每一组超导线圈之间并联设置，失超保护模块24分别连接每一组超导线圈。失超保护模块24对超导线圈形成分段保护，极大减小超导线圈13失超时的失超电压，保证超导线圈13由于意外失超时的电气安全。

进一步的，所述超导线圈、超导接头23以及超导开关25形成闭合回路。超导磁体正常运行时，超导线圈、超导接头23以及超导开关25形成闭合回路，这样无须外部电源驱动，从而极大节省能源损耗。超导线圈13及超导开关25的电路结构图如图5所示。

进一步的，所述控制塔11上安装有真空计27和真空管，真空管的一端连通真空容器1内部，另一端连接抽真空设备，真空管手上安装有真空阀门26，真空计27用于测量真空容器1内部真空度。真空容器1通过抽真空设备维持一定的真空度，超导磁体内部辐射漏热及残余气体漏热处于低水平状态。

进一步的，所述线圈骨架7上绕有帮扎带28，帮扎带28包住超导线圈，导冷带10分别与帮扎带28贴合。帮扎带28选用高强度的耐低温材料制成，如不锈钢304L，铝合金6061。

进一步的，所述调节板18与控制塔11之间通过波纹管29连接，所述绝缘支撑杆15位于波纹管29的内部。波纹管29可以保证真空容器1内部真空度，防止冷量泄露。

进一步的，所述真空容器1内设有防辐射屏30，超导线圈组件位于防辐射屏30内部。一级冷头12通过若干导冷片连接防辐射屏30。防辐射屏30由防辐射材料制成，位于真空容器1部，进一步减少。当环境对辐射没有要求时，也可以去掉防辐射屏30。

进一步的，所述第一导冷连接件14、第二导冷连接件22为柔软的铜带或铜片。铜带或铜片制成的第一导冷连接件14、第二导冷连接件22导冷效果好，且具有一定自由度，方便安装。具有一定自由度的第二导冷连接件22不影响导冷杆16的上下移动。

用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温方法，包括有以下步骤：

步骤1：对真空容器1进行抽真空，保证超导磁体内部辐射漏热及残余气体漏热处于低水平状态；

步骤2：转动快速降温组件上的调节螺母20，控制导冷杆16下降，使换热块17与导冷环8接触，此时弹簧21处于压缩状态；

步骤3：打开制冷机2，对超导磁体进行降温，此时制冷机2一级冷头12的冷量通过第二导冷连接件22、导冷杆16、换热块17传导到导冷环8；同时二级冷头13通过第一导冷连接件14、导冷板9、导冷带10，共同对超导线圈进行降温；

和步骤4：待超导线圈降温到40K时，控制快速降温组件的调节螺母20，使换热块17与导冷环8分离，超导线圈组件由二级冷头13继续进行降温；

步骤5：待超导线圈降温至4.2K以下后，固定调节螺母20，完成用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温。

图4显示了使用本发明减速降温方法与常规降温方法的对比，可以看出使用了快速降温组件后，其冷却时间比原有降温时间大大缩短。常规降温需要约380小时，使用本发明提供的快速降温方法，可以减小到150小时。极大节约了超导磁体的前期准备时间以及后期维护时间，进一步减小了其运行维护成本。

值得一提的是，本发明专利申请涉及的制冷机2、超导接头23、超导开关25、失超保护模块24、真空计27、抽真空设备等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本发明专利的发明点所在，本发明专利不做进一步具体展开详述。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，包括有真空容器、超导线圈组件、制冷机、快速降温组件，

所述真空容器包括有外筒、上端板、下端板、内筒，所述内筒置于外筒内部，内筒的上端和外筒的上端之间通过上端板连接，内筒的下端和外筒的下端之间通过下端板连接；

所述超导线圈组件位于外筒和内筒之间，超导线圈组件包括有线圈骨架、超导线圈，超导线圈安装在线圈骨架上，线圈骨架的上端连接有导冷环，线圈骨架包括有竖直设置的导冷板，导冷板的两侧分别连接有若干导冷带，导冷带分别贴向超导线圈；

所述上端板上连接有控制塔，制冷机安装在控制塔上，制冷机包括有一级冷头和二级冷头，所述二级冷头通过第一导冷连接件连接导冷板，一级冷头和二级冷头均位于控制塔内部；

所述快速降温组件包括有绝缘支撑杆、导冷杆、换热块，所述导冷杆的上端连接绝缘支撑杆，导冷杆的下端连接换热块，换热块位于导冷环上方，所述控制塔上设有供绝缘支撑杆的上端活动穿过的通孔，绝缘支撑杆的上端穿过通孔后固定连接有调节板，调节板的四周设有若干安装孔，安装孔内分别插有螺杆，螺杆的下端固定连接控制塔，螺杆的上端活动穿过安装孔后螺纹连接有调节螺母，螺杆上套有弹簧，弹簧夹在调节板和控制塔之间，所述导冷杆通过第二导冷连接件连接一级冷头。

2.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述超导线圈通过超导接头连接电源，超导接头安装在导冷板上，导冷板上还安装有失超保护模块和超导开关，超导开关与超导线圈并联设置。

3.如权利要求2所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述超导线圈分成若干组，每一组超导线圈之间并联设置，失超保护模块分别连接每一组超导线圈。

4.如权利要求3所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述超导线圈、超导接头以及超导开关形成闭合回路。

5.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述控制塔上安装有真空计和真空管，真空管的一端连通真空容器内部，另一端连接抽真空设备，真空管手上安装有真空阀门，真空计用于测量真空容器内部真空度。

6.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述线圈骨架上绕有帮扎带，帮扎带包住超导线圈，导冷带分别与帮扎带贴合。

7.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述调节板与控制塔之间通过波纹管连接，所述绝缘支撑杆位于波纹管的内部。

8.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述真空容器内设有防辐射屏，超导线圈组件位于防辐射屏内部。

9.如权利要求1所述的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体，其特征在于，所述第一导冷连接件、第二导冷连接件为柔软的铜带或铜片。

10.如权利要求1-9中任意一项的用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温方法，其特征在于，包括有以下步骤：

步骤1：对真空容器进行抽真空，保证超导磁体内部辐射漏热及残余气体漏热处于低水平状态；

步骤2：转动快速降温组件上的调节螺母，控制导冷杆下降，使换热块与导冷环接触，此时弹簧处于压缩状态；

步骤3：打开制冷机，对超导磁体进行降温，此时制冷机一级冷头的冷量通过第二导冷连接件、导冷杆、换热块传导到导冷环；同时二级冷头通过第一导冷连接件、导冷板、导冷带，共同对超导线圈进行降温；

和步骤4：待超导线圈降温到40K时，控制快速降温组件的调节螺母，使换热块与导冷环分离，超导线圈组件由二级冷头继续进行降温；

步骤5：待超导线圈降温至4.2K以下后，固定调节螺母，完成用于磁控直拉单晶的无液氦超导磁体的快速降温。