CN212365633U - 一种无液氦超导磁体的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无液氦超导磁体的冷却系统，包括杜瓦真空筒、绕设有超导线圈的安装骨架，杜瓦真空筒与安装骨架之间还设置有防辐射屏，所述安装骨架上还绕设有制冷导体，所述制冷导体两端连接在制冷机上，所述安装骨架上还绕设有带有流通管道的冷却铜带，所述冷却铜带的进液端和出液端均连接在液氮供液机上。本实用新型具有以下优点和效果：通过液氮对超导线圈以及防辐射屏的从300K到77K的预冷，而后再通过制冷机从77K到4.2K的冷却的方式，实现节省大量电能和时间，以及液氦的使用成本，另一方面整个冷却过程可以控制在一周以内。

Description

一种无液氦超导磁体的冷却系统

技术领域

本实用新型涉及超导磁体冷却的技术领域，特别涉及一种无液氦超导磁体的冷却系统。

背景技术

随着超导低温技术的发展以及新型超导体材料的发现，超导磁体在应用上得到极大地提高。目前，超导磁体已成为科学研究的重要工具，它在高能物理、受控热核反应、等离子体物理、生物物理、低温物理、磁学、物质结构分析、医学、交通、工业等很多科学探索研究中得到越来越广泛的应用。

超导磁体广泛运用于MRI系统和科研设备例如光谱仪及粒子加速器中，一台超导磁体必须冷却到一定的临界温度，超导线圈才会达到超导状态。制冷机（Cryocooler）通常被以（Cryogenicrefrigerator，Cryogeniccoldhead或者cryogeniccooler），制冷机可以将磁体系统内的热量带走从而使得整个磁体系统保持在足够低温以保持线圈的超导状态。1.5T以上的无液氦超导磁体超导线圈组件及冷屏等附件总质量超过3T以上，热容量很大。如果启动制冷机直接从室温(300K)降温至4.2K，将耗费大量的电能和时间，且时间通常约需3~4周，同时消耗大量昂贵的液氦。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种无液氦超导磁体的冷却系统，具有采用液氮预冷降低冷却成本的效果。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种无液氦超导磁体的冷却系统，包括杜瓦真空筒、绕设有超导线圈的安装骨架，杜瓦真空筒与安装骨架之间还设置有防辐射屏，所述杜瓦真空筒内设置有用于第一支撑筒，所述第一支撑筒一端设置有安装板，所述防辐射屏设置在安装板上，所述安装板在防辐射屏内侧还设置有第二支撑筒，所述第二支撑筒设置有连接板，所述安装骨架设置在连接板上；所述安装骨架上还绕设有制冷导体，所述制冷导体两端连接在制冷机上，所述安装骨架上还绕设有带有流通管道的冷却铜带，所述冷却铜带的进液端和出液端均连接在液氮供液机上。

通过采用上述技术方案，第一支撑筒和第二支撑筒的设置，使得安装板和连接板在杜瓦真空筒内的安装，进而便于防辐射屏与安装骨架在杜瓦真空筒内部的独立悬空安装，避免相互影响；另一方面安装骨架在超导线圈外端还绕设有冷却铜带，该冷却铜带外侧的进液端和出液端均可以连接在液氮供液机上，通过液氮供液机对该冷却铜带内部的流通管道持续供液氮，通过该冷却铜带能够直接对超导线圈进行冷却，冷却至77K左右，而后在通过制冷机对制冷导体进行制冷，通过制冷导体继续对超导线圈冷却，冷却至液氦温度的4.2K，即完成冷却。相比于现有技术通过采用较为廉价的液氮进行预冷，相比于现有技术中纯液氦冷却，大大降低冷却成本，同时还能够节省大量电能和时间，整个冷却过程可以控制在一周以内。

本实用新型的进一步设置为：所述防辐射屏外壁绕设有带有流通管道的第二冷却铜带，第二冷却铜带的进液端和出液端均连接在液氮供液机上。

通过采用上述技术方案，防辐射屏上还可以连接与冷却铜带结构相同的第二冷却铜带，实现防辐射屏快速进入低温预冷状态，同时该防辐射屏同样能够采用液氮预冷，同样为了有效降低冷却成本。

本实用新型的进一步设置为：所述防辐射屏外壁还绕设有第二制冷导体，所述第二制冷导体两端连接与所述制冷机上。

通过采用上述技术方案，第二制冷导体的设置使得后期设备使用时，能够通过制冷机对防辐射屏保持一定的温度要求。

本实用新型的进一步设置为：所述制冷机包括冷头，所述冷头设置有一级制冷头和二级制冷头，所述制冷导体两端和所述冷却铜带可连接在二级制冷头上，所述第二冷却铜带和所述第二制冷导体连接在一级制冷头上。

通过采用上述技术方案，一级制冷头能够保证第二冷却铜带和第二制冷导体对防辐射屏的制冷效果，使得该防辐射屏始终保持在50K的温度，第二冷却铜带和第二制冷导体一同作用能够加快冷头对防辐射屏的制冷要求，二级制冷头能够通过制冷导体和冷却铜带确保超导线圈始终处于4.2K的温度，同理制冷导体和冷却铜带能够加快冷头对超导线圈的制冷要求，同时也便于保持低温。

本实用新型的进一步设置为：所述杜瓦真空筒上设置有颈头安装管，所述冷头通过法兰连接在颈头安装管上，所述制冷导体、第二制冷导体、冷却铜带和第二冷却铜带的两端均定位在所述颈头安装管底部设置的密封板上。

通过采用上述技术方案，颈头安装管一方面能够实现对冷头的固定安装，另一方面实现对制冷导体、第二制冷导体、冷却铜带和第二冷却铜带固定，同时实现在颈头安装管内部能够提供一个制冷导体、第二制冷导体、冷却铜带和第二冷却铜带的操作空间，例如制冷导体、第二制冷导体与液氮供液机的连接，又或者是制冷导体、第二制冷导体、冷却铜带和第二冷却铜带在冷头上的一级制冷头和二级制冷头上的安装。

本实用新型的进一步设置为：所述冷却铜带、所述第二冷却铜带与所述流通管道的截面呈腰型孔状。

通过采用上述技术方案，冷却铜带、第二冷却铜带设置成截面为腰型孔状，能够增到与超导线圈与制冷导体、第二制冷导体之间的接触面积，使得前期在采用液氮进行预冷时，能够缩短预冷时间，进而提高预冷效率，以降低一些预冷成本，例如电力的使用量。

本实用新型的进一步设置为：所述杜瓦真空筒上还设置有真空抽气管路构件。

通过采用上述技术方案，在杜瓦真空筒上设置真空抽气管路构件之后，便于对杜瓦真空筒内部进行真空处理，以避免冷头在安装时，当颈头安装管连接处泄露后依旧能够进行抽气处理。

综上所述，本实用新型具有以下有益效果：通过液氮对超导线圈以及防辐射屏的从300K到77K的预冷，而后再通过制冷机从77K到4.2K的冷却的方式，实现节省大量电能和时间，以及液氦的使用成本，另一方面整个冷却过程可以控制在一周以内。

附图说明

图1是冷却系统在杜瓦真空筒内的剖面示意图；

图2是杜瓦真空筒未安装冷头的结构示意图；

图3是杜瓦真空筒安装冷头后的结构示意图；

图4是冷头的结构示意图。

图中：1、杜瓦真空筒；2、安装骨架；3、超导线圈；4、防辐射屏；5、制冷导体；6、连接板；7、流通管道；8、冷却铜带；9、封闭板；10、第二冷却铜带；11、第二制冷导体；12、冷头；13、一级制冷头；14、二级制冷头；15、颈头安装管；16、密封板；17、第一支撑筒；18、安装板；19、第二支撑筒；20、真空抽气管路构件。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

一种无液氦超导磁体的冷却系统，参照图1，包括杜瓦真空筒1，设置在内部的防辐射屏4和安装骨架2，安装骨架2上绕设有超导线圈3线圈。杜瓦真空筒1内部一端设置有第一支撑筒17，第一支撑筒17的另一端安装有一块安装板18，防辐射屏4一端固定在安装板18上；另一方面在该安装板18同一端面上还设置有一个第二支撑筒19，第二支撑筒19位于防辐射屏4内部，在该第二支撑筒19的另一端设置有连接板6，安装骨架2的一端固定在该连接板6上。还需说明的是防辐射屏4的另一端还设置一块封闭板9将整个安装骨架2封闭在防辐射屏4内部。安装板18、连接板6、封闭板9以及第一支撑筒17和第二支撑筒19材料均采用不良热导体，例如树脂筒制成；防辐射屏4采用铝合金制成。杜瓦真空筒1一侧上还设置有真空抽气管路构件20，以供后期在对杜瓦真空筒1内部进行抽气处理，最简单的只要有个单向阀管路即可。

参照图1和图2，在安装骨架2上除了绕设有超导线圈3之外还绕设有制冷导体5和冷却铜带8，优选为冷却铜带8先绕设于超导线圈3外，后制冷导体5将绕设于冷却铜带8外壁上，本方案中制冷导体5材料优选为铜丝。另一方面在防辐射屏4外壁上还绕设有第二制冷导体11和第二冷却铜带10，上述两者的材质与结构和制冷导体5和第二冷却铜带10的材料与结构均相同。制冷导体5和冷却铜带8在绕设后两端均穿设到杜瓦真空筒1上设置的颈头安装管15内，第二制冷导体11和第二冷却铜带10同样穿设到杜瓦真空筒1上设置的颈头安装管15内，上述四组材料均固定在颈头安装管15底部设置的密封板16上，避免穿设处影响杜瓦真空筒1内外温差。

冷却铜带8和第二冷却铜带10的截面呈腰型孔状，且内部贯穿有截面同样为腰型孔状的流通管道7。冷却铜带8和第二冷却铜带10的进液管和出液端均可以连接在制冷机上，通过液氮供液机对流通管内持续供氮，使得冷却铜带8和第二冷却铜带10最终能够冷却到77K的温度作用，进而将超导线圈3、防辐射屏4以及内部空间预冷到77K温度作用，相比于现有技术直接采用液氦制冷，降低使用成本以及冷却时间。当完成预冷时，将冷却铜带8和第二冷却铜带10与液氮供液机拆除，采用现有高压氮气将流通管道7内的液氮吹除干净，避免影响后期采用液氮冷却的冷却环境。

参照图3和图4，颈头安装管15主要还用于安装制冷机中的冷头12，冷头12在安装时，通过法兰连接在颈头安装管15的上端，同时下端设置的一级制冷头13和二级制冷头14设置于颈头安装管15内；在冷头12安装前，可以位于颈头安装管15内的制冷导体5两端和冷却铜带8可连接在二级制冷头14上，第二冷却铜和第二制冷导体11连接在一级制冷头13上，而后通过冷头12进行制冷；冷头12安装完成后，需将颈头安装管15和流通管道7内部进行抽真空处理。

其中制冷机与冷头12的制冷方式为现有技术，一级制冷头13可以将相应物体温度降低至50K,二级制冷头14可以将相应物体(冷体)温度降低至4.2K，该产品与方法均为现有技术，例如Gifford McMahon (GM)和脉冲式（Pulse Tube）制冷机是二级制冷机中比较常见的类型；另一方面连接方式可以直接采用绕卷的方式，具体连接结构与本方案并无实质关联，因而不再加以阐述连接过程。

具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种无液氦超导磁体的冷却系统，包括杜瓦真空筒(1)、绕设有超导线圈(3)的安装骨架(2)，杜瓦真空筒(1)与安装骨架(2)之间还设置有防辐射屏(4)，其特征在于：所述杜瓦真空筒(1)内设置有用于第一支撑筒(17)，所述第一支撑筒(17)一端设置有安装板(18)，所述防辐射屏(4)设置在安装板(18)上，所述安装板(18)在防辐射屏(4)内侧还设置有第二支撑筒(19)，所述第二支撑筒(19)设置有连接板(6)，所述安装骨架(2)设置在连接板(6)上，所述防辐射屏的另一端设置有封闭板（9）；

所述安装骨架(2)上还绕设有制冷导体(5)，所述制冷导体(5)两端连接在制冷机上，所述安装骨架(2)上还绕设有带有流通管道(7)的冷却铜带(8)，所述冷却铜带(8)的进液端和出液端均连接在液氮供液机上。

2.根据权利要求1所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述防辐射屏(4)外壁绕设有带有流通管道(7)的第二冷却铜带(10)，第二冷却铜带(10)的进液端和出液端均连接在液氮供液机上。

3.根据权利要求2所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述防辐射屏(4)外壁还绕设有第二制冷导体(11)，所述第二制冷导体(11)两端连接与所述制冷机上。

4.根据权利要求3所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述制冷机包括冷头(12)，所述冷头(12)设置有一级制冷头(13)和二级制冷头(14)，所述制冷导体(5)两端和所述冷却铜带(8)可连接在二级制冷头(14)上，所述第二冷却铜带(10)和所述第二制冷导体(11)连接在一级制冷头(13)上。

5.根据权利要求4所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述杜瓦真空筒(1)上设置有颈头安装管(15)，所述冷头(12)通过法兰连接在颈头安装管(15)上，所述制冷导体(5)、第二制冷导体(11)、冷却铜带(8)和第二冷却铜带(10)的两端均定位在所述颈头安装管(15)底部设置的密封板(16)上。

6.根据权利要求5所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述冷却铜带(8)、所述第二冷却铜带(10)与所述流通管道(7)的截面呈腰型孔状。

7.根据权利要求1所述的一种无液氦超导磁体的冷却系统，其特征在于：所述杜瓦真空筒(1)上还设置有真空抽气管路构件（20）。

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