CN201178012Y - 一种超导磁体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种超导磁体冷却装置，该超导磁体冷却装置包括：一个气流冷却器，该气流冷却器设置在一个气体排出通道上，所述气体排出通道与一个冷却容器连通，所述冷却容器用于容纳冷却剂以及需要冷却的超导磁体于其中。所述超导磁体冷却装置还包括：一个柔性热管，该柔性热管一端与所述气流冷却器相连，另一端与一个冷却剂容器相连。本实用新型由于采用了柔性热管对超导磁体进行冷却，对于超导磁体的远程运输而言，可以针对有限的安装空间，灵活布置，方便了超导磁体的运输和安装。另外，由于采用气体冷却器对氦气进行冷却，降低了氦气的温度，减缓了液氦的气化，降低了超导磁体运输过程中液氦的消耗，降低了超导磁体的运输成本。

Description

一种超导磁体冷却装置

技术领域

本实用新型涉及一种超导磁体冷却装置，具体来说，本实用新型涉及一种用于超导磁体远距离运输的冷却装置。

背景技术

众所周知，如果使用普通的导电材料建造大功率的电磁铁，由于电磁铁的线圈有电阻，当给电磁铁励磁时，通过的电流会在电磁铁上产生大量的热能，而这些热能是连续产生且白白地损失掉了。电磁铁要维持磁场就需要大量的能量来弥补连续产生的热量损失。

超导体是一种特殊的物质，当被冷却到低于一定温度以后(即其临界温度)，流过其内部电流的电阻为零。在临界温度以上，超导体基本上不会显示什么特殊性质，但在临界温度下，其电阻突然变成零，从而显示出一些特殊的磁电特性。超导体一旦励磁，达到超导状态后就再也不需要补充能量了。由于没有电阻的热损耗，超导磁体能提供一个比电磁铁磁场强度强10倍的磁场。这些磁场非常强，可以用来悬浮高速运输系统、做无摩擦轴承、或用来储存能量等。核磁成像系统(MRI)是现在低温超导材料最重要、最成熟的应用。借助于核磁成像技术，不需要对人体进行手术或把人体暴露在辐射中，就可以获得体内详细的图片。

超导体的临界温度一般很低，通常需要将用于产生超导磁场的超导体或超导线圈冷却在液氦中才能获得超导特性，而液氦是一种非常昂贵且不容易操作的制冷剂。

对于超导磁体的运输而言，由于需要维持超导磁体处于接近于绝对零度的环境下，以使其保持超导特性，因此需要消耗大量的液氦，特别是对于长时间(运输时间长达1个月)的海运而言，液氦的消耗量大约为1000～1500升，这主要是由于冷屏的环境温度较高，而且没有采用冷头对冷屏进行冷却。

通常解决这个问题的方式是将冷头插入到冷头衬套中进行冷却，当装有液氦的容器受热时，液氦会在热负荷作用下气化，气化后的氦气通过冷头的排气管路以及排气阀释放出来。为了降低液氦容器的热负荷，通常需要使冷头与环境温度保持较大的温度梯度，同时，还需要至少2级热交换器。

这种解决方式同样需要消耗大量的液氦，并且，采用冷头冷却对于超导磁体的运输而言，其安装复杂，需要耗费较长的时间，因此费用较高，而且还无法针对运输条件的变化灵活安排设备的安装定位。

美国专利US 7263841B1中公开了一种采用热管对超导磁体进行冷却的冷却装置，其中，超导磁体浸没在容纳有液氦的内侧容器中，该内侧容器包裹在一层真空层中，而真空层为外侧冷屏所围绕。上述内侧容器、真空层以及外侧冷屏构成了该现有技术中的三层冷屏结构。

该冷却装置还具有3级冷却器，分别对上述三层冷屏结构逐级进行冷却。另外，为了加强冷却，在上述冷屏上还设置有一个热管冷却器。

上述热管冷却器具有一个装有冷却剂的容器，该容器与上述冷屏之间具有一个热管，当冷屏温度升高的时候，由于冷屏和冷却剂容器之间的温差，导致热管与冷屏接触的热管底部温度升高，热管中的工作流体气化带走冷屏的热负荷，同时，气化的工作流体与热管上部的冷却剂容器进行热交换而冷凝，由于重力和毛细作用返回热管底部，从而循环对冷屏进行冷却。

在上述现有技术中，热管冷却器所采用的冷却剂和工作流体可以同为液氦、液氮等等。除了上述热管冷却器之外，上述现有技术还在上述3级冷却器和热管冷却器之间设置有无氧铜制成的传导棒。

上述采用热管对超导磁体进行冷却的冷却装置有效解决了冷屏的冷却问题，但是，由于所采用的热管冷却器固定设置于超导磁体上方，对于超导磁体的运输而言，其仍然不方便运输过程中的安装。

本实用新型在上述现有技术的基础上进行了改进，提供了一种适用于超导磁体远距离运输的冷却装置。

实用新型内容

因此本实用新型要解决的技术问题是提供一种改进的、利用热管对超导磁体进行冷却的冷却装置，其便于超导磁体的运输和安装。

本实用新型的另一个要解决的技术问题是提供一种改进的、利用热管对超导磁体进行冷却的冷却装置，其降低了超导磁体运输过程中液氦的消耗，降低了超导磁体的运输成本。

为解决本实用新型的上述技术问题，本实用新型提出了一种超导磁体冷却装置，该超导磁体冷却装置包括：一个气流冷却器，该气流冷却器设置在一个气体排出通道上，所述气体排出通道与一个冷却容器连通，所述冷却容器用于容纳冷却剂以及需要冷却的超导磁体于其中。所述超导磁体冷却装置还包括：一个柔性热管，该柔性热管一端与所述气流冷却器相连，另一端与一个冷却剂容器相连。

优选地，所述气流冷却器具有一个外侧通道，该外侧通道与上述气体排出通道连通。所述外侧通道中可以设置烧结铜球，也可以设置散热鳍。

优选地，所述柔性热管外侧具有多层绝热层。

优选地，所述冷却剂容器为液氮杜瓦，其中容纳有作为冷却剂的液氮。所述冷却容器具有可使其移动的机构。

本实用新型由于采用了柔性热管对超导磁体进行冷却，对于超导磁体的远程运输、尤其是超导磁体的海运而言，可以配合以可移动的冷却容器，针对有限的安装空间，灵活布置，方便了超导磁体的运输和安装。另外，由于采用气体冷却器对氦气进行冷却，降低了氦气的温度，减缓了液氦的气化，降低了超导磁体运输过程中液氦的消耗，降低了超导磁体的运输成本。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中，

图1所示为根据本实用新型的实施例1的一种超导磁体冷却装置的示意图；

图2所示为根据本实用新型的实施例2的一种超导磁体冷却装置的示意图；

图3所示为根据本实用新型的实施例3的一种超导磁体冷却装置的示意图。

具体实施方式

为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本实用新型的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。在本文的说明中，“一个”仅仅是为了描述的方便，但并不以此为限，根据需要，也可以是“多于一个”。

实施例1

下面参照附图1对本实用新型提出的一种超导磁体冷却装置的一个具体实施方式进行说明，如图1所示，本实施例的超导磁体冷却装置包括：一个气流冷却器1，该气流冷却器1设置在一个气体排出通道2上，所述气体排出通道2与一个冷却容器3连通，所述冷却容器3中容纳有一个需要冷却的超导磁体，以及用于冷却所述超导磁体的冷却剂。

所述超导磁体(图中未示出)可以为用于核磁成像系统(MRI)的超导磁体，也可以为用于其他领域的超导磁体，该超导磁体可以浸没在冷却容器3中的冷却剂(本实施例中为液氦)中，其通常可以获得低于2.17K的超低温，从而可以保证超导磁体处于超导状态。当然，本领域技术人员应当理解，如果所述超导磁体为高温超导材料所制成，所述冷却容器3中也可以容纳其他可以使所述材料保持超导特性的冷却剂，例如，液氮等。

冷却容器3具有一个用于排出气态冷却剂(例如气态氦)的气体排出通道2，当冷却容器3中温度升高时，冷却容器3中的液氦会气化，冷却容器3中的压力将会上升，因此需要将气化产生的氦气通过气体排出通道2排出，这会损失掉一部分液氦，当然，随着液氦的气化，也会带走冷却容器3中集聚的热负荷，进而使冷却容器3继续保持低温。由于液氦是非常稀有的商品，价格十分高昂，因而需要设法减少因温度升高所带来的液氦损失。特别是对于超导磁体的远程运输而言，例如，通过海运的情形，运输时间往往长达1个月，由于运输空间所限，往往难以如同地面安装那样设置固定安装的冷头对冷却容器3进行冷却。

为了解决这个难题，本实用新型提出了采用一个柔性热管4对冷却容器3进行冷却的技术方案，其中，柔性热管4一端与所述气流冷却器1相连，另一端与一个冷却剂容器5相连。

冷却剂容器5中装有用于冷却的液态冷却剂，在本实用新型实际实施的时候，所述冷却剂可以包括氦、氖、氢、氧等中的一种或其混合物。在本实用新型的一个具体实施方式中，所述冷却剂容器5为一个液氮杜瓦，其中容纳有作为冷却剂的液氮。如图所示，所述冷却容器5具有可使其移动的行动机构51，所述行动机构51可以为安装在其下的多个滚动轮，或者是用于运输冷却容器5的一个移动小车等。

所述柔性热管4与所述气流冷却器1相连的一端为吸热端41，与所述冷却剂容器5相连的一端为冷却端42，亦即，气流冷却器1设置在气体排出通道2中，流过气流冷却器1的氦气将热量交换给气流冷却器1，气流冷却器1从氦气中吸收热量，从而使氦气降温，然后，气流冷却器1将吸收的热量传递给柔性热管4的吸热端41，再通过柔性热管4冷却端42的进行冷却。

在如图1所示的本实用新型的实施例中，所述柔性热管4为通常由柔性材质制成的柔性管状结构。应当指出，本实用新型的发明点之一乃是采用柔性热管4，只要热管4具有柔性即可实现根据安装空间的不同而设置不同安装布置的效果。也就是说，对于海运等远程运输而言，由于运输空间的限制，往往难以对超导磁体及其冷却装置进行固定方式的安装，而本实用新型所采用的柔性热管4由于可以根据安装空间的不同进行灵活布置，因而可以方便超导磁体以及冷却装置的安装，节约了安装时间及运输的成本。而对于柔性热管4的具体结构并非本实用新型的发明重点，现有技术中任何具有柔性结构的热管均可用于本实用新型所提出的冷却装置，并可实现本实用新型所提出的发明目的，并获得本实用新型所强调的技术效果。

另外，为了获得更好的冷却效果，所述柔性热管4外侧设置有多层绝热层6，用于使柔性热管4尽量与周围环境隔绝，避免由于柔性热管4长度较长而导致柔性热管4与周围环境换热，使其对冷却气流冷却器1的冷却效率下降。

当冷却容器3中温度升高，由液氦气化而来的氦气从气体排出通道2流出，由于气流冷却器1设置在上述气体排出通道2中，氦气将与气流冷却器1进行热交换，从而导致气流冷却器1温度升高，当气流冷却器1表面温度高于与其接触的柔性热管4的吸热端41时，柔性热管4中的液态冷却剂(本实施例中为液氮)受热气化，气化后的氮气沿着柔性热管4向冷却端42移动，并通过冷却容器5中的冷却剂的冷却逐渐冷凝液化，然后液化后的液氮通过重力和毛细作用回到吸热端41，重复换热-气化-冷凝的过程，直到流过气体冷却器1的氦气温度稳定到适当的温度以下。

本实用新型由于采用了柔性热管4对超导磁体进行冷却，对于超导磁体的远程运输、尤其是超导磁体的海运而言，可以配合以可移动的冷却容器5针对有限的安装空间，灵活布置，方便了超导磁体的运输和安装。

另外，由于采用气体冷却器1对氦气进行冷却，降低了氦气的温度，减缓了液氦的气化，降低了超导磁体运输过程中液氦的消耗，降低了超导磁体的运输成本。

实施例2

下面，参照图2对本实用新型的另一个实施例进行说明，其中，相同的附图标记表示相同的部件。

如图1所示，设置于气体排出通道2中的气流冷却器1具有一个与气体排出通道2连通的外侧通道11，在实施例1中，氦气通过该外侧通道11流过气流冷却器1。本领域技术人员应当理解，实施例1中未对外侧通道11进行说明，但是，氦气流过气流冷却器1必定是具有一个可供氦气流过的通道的，当然，该外侧通道11也可以不仅仅为图中所示的形式，其还可以以孔洞、缝隙等形式出现。

在本实施例的图2中，该外侧通道11中设置有烧结铜球12，用于增大与氦气换热的面积，从而提高换热效率，最终达到减少液氦的消耗的目的。

本实施例的其他结构与实施例1完全相同，在此不再一一描述。

实施例3

下面，参照图3对本实用新型的又一个实施例进行说明，其中，相同的附图标记表示相同的部件。

在本实施例的图3中，该外侧通道11中设置有散热鳍13，用于增大与氦气换热的面积，从而提高换热效率，最终达到减少液氦的消耗的目的。

本实施例的其他结构与实施例1和实施例2完全相同，在此不再一一描述。

以上所述仅为本实用新型示意性的具体实施方式，并非用以限定本实用新型的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本实用新型的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1.一种超导磁体冷却装置，包括：

一个气流冷却器(1)，所述气流冷却器(1)设置在一个气体排出通道(2)上，所述气体排出通道(2)与一个冷却容器(3)连通，所述冷却容器(3)用于容纳冷却剂以及需要冷却的超导磁体于其中；

其特征在于，还包括：

一个柔性热管(4)，所述柔性热管(4)一端与所述气流冷却器(1)相连，另一端与一个冷却剂容器(5)相连。

2.根据权利要求1所述的超导磁体冷却装置，其中，所述气流冷却器(1)具有一个外侧通道(11)，所述外侧通道(11)与上述气体排出通道(2)连通。

3.根据权利要求2所述的超导磁体冷却装置，其中，所述外侧通道(11)中设置有烧结铜球(12)。

4.根据权利要求2所述的超导磁体冷却装置，其中，所述外侧通道(11)中设置有散热鳍(13)。

5.根据权利要求1-4之一所述的超导磁体冷却装置，其中，所述冷却容器(3)中的所述冷却剂为液氦。

6.根据权利要求1-4之一所述的超导磁体冷却装置，其中，所述柔性热管(4)外侧具有多层绝热层(6)。

7.根据权利要求1-4之一所述的超导磁体冷却装置，其中，所述冷却剂容器(5)为液氮杜瓦，其中容纳有作为冷却剂的液氮。

8.根据权利要求7所述的超导磁体冷却装置，其中，所述冷却剂容器(5)具有可使其移动的行动机构(51)。

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