CN213070772U - 一种超导线圈双路制冷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超导线圈双路制冷装置，内层隔热容器中设置超导线圈，冷头容器至少部分伸入中层隔热容器，冷头容器内设置制冷器，通过制冷器产生低温；内层隔热容器的外部设置导热抱箍，制冷器通过冷头容器分别对导热抱箍和超导线圈进行热交换；本实用新型的超导线圈双路制冷装置在预冷阶段，制冷器产生的冷量分别经过两路传递，分别对超导线圈和导热抱箍传导冷量，导热抱箍进而向内层隔热容器传递冷量，使内层隔热容器更快地降温，减少达到超导温度环境的时间；当制冷器停止制冷时，制冷器成为热源，反向分为两路分别向导热抱箍和超导线圈传递热量，由于有导热抱箍分流热量，延缓了超导线圈的升温速度，能够延长超导线圈失去超导的时间。

Description

一种超导线圈双路制冷装置

技术领域

本实用新型涉及超导设备的技术领域，更进一步涉及一种超导线圈双路制冷装置。

背景技术

目前，超导磁体领域中很多采用传导冷方式使超导线圈温度维持在超导临界温度以下，以实现超导线圈处于超导状态。其原理是：通过导热材料将制冷设备与超导线圈相连接，冷量由制冷设备向超导线圈传递，期间做好隔热防护；超导线圈接收到的热量以及本身产生的热量通过导热材料被制冷设备带走，使超导线圈的温度维持在超导临界温度以下。

超导线圈放置在4K容器之内的支撑结构上，制冷设备对超导线圈提供冷量，超导线圈进一步通过热传递的方式向4K容器传递冷量，4K容器达到足够低的温度时才能使超导线圈保持超导状态。

但是，此种导冷方式的超导磁体存在两大缺点：1.预冷阶段磁体4K容器通过与制冷设备相连接的支撑结构导冷；根据热力学第二定律，热量自发地由物体高温部分向低温部分传递，4K容器的热量向超导线圈传递，超导线圈进一步向制冷设备传递热量，进而实现4K容器整体温度下降；一般的4K容器都是采用不锈钢材质，导冷效率较低，造成超导磁体预冷时间过长；2.当制冷设备停止工作时，制冷设备就变成了一个热源，形成了线圈通过导热材料与热源直接连接的情况，热量反向从制冷设备向超导线圈传递，造成线圈温升较快，短时间内就失去超导状态，进而增加后续维护成本。

对于本领域的技术人员来说，如何减少预冷时间，同时延长失去超导的时间，是目前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型提供一种超导线圈双路制冷装置，在预冷阶段使内层隔热容器更快地降温，在停止阶段能够延长超导线圈失去超导的时间，具体方案如下：

一种超导线圈双路制冷装置，包括内层隔热容器、中层隔热容器、冷头容器，所述内层隔热容器中设置超导线圈，所述冷头容器至少部分伸入所述中层隔热容器，所述冷头容器内设置制冷器；

所述内层隔热容器的外部设置导热抱箍，所述制冷器通过所述冷头容器分别对所述导热抱箍和所述超导线圈进行热交换。

可选地，所述冷头容器的底部设置冷头导热板，所述内层隔热容器的侧壁设置内层导热板，所述冷头导热板与所述内层导热板通过第一导热线导热连接，所述冷头导热板与所述导热抱箍之间通过第二导热线导热连接。

可选地，所述内层导热板与所述超导线圈之间通过第三导热线导热连接。

可选地，所述第一导热线、所述第二导热线和所述第三导热线均为软铜线束。

可选地，所述导热抱箍呈筒形，焊接固定在所述内层隔热容器的外表面；所述内层导热板通过氩弧焊固定在所述内层隔热容器的外表面。

可选地，还包括外层隔热容器，所述外层隔热容器包围所述中层隔热容器和所述冷头容器。

可选地，所述制冷器包括一级冷头和二级冷头，所述二级冷头与所述冷头导热板直接导热。

可选地，所述冷头导热板上设置用于增大换热面积的翅片。

本实用新型提供一种超导线圈双路制冷装置，包括内层隔热容器、中层隔热容器、冷头容器，内层隔热容器中设置超导线圈，通过内层隔热容器使超导线圈与外界保持隔热；冷头容器至少部分伸入中层隔热容器，冷头容器内设置制冷器，通过制冷器产生低温；内层隔热容器的外部设置导热抱箍，制冷器通过冷头容器分别对导热抱箍和超导线圈进行热交换；本实用新型的超导线圈双路制冷装置在预冷阶段，制冷器产生的冷量分别经过两路传递，分别对超导线圈和导热抱箍传导冷量，导热抱箍进而向内层隔热容器传递冷量，使内层隔热容器更快地降温，减少达到超导温度环境的时间；当制冷器停止制冷时，制冷器成为热源，反向分为两路分别向导热抱箍和超导线圈传递热量，由于有导热抱箍分流热量，延缓了超导线圈的升温速度，因此能够延长超导线圈失去超导的时间。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的超导线圈双路制冷装置的结构示意图。

图中包括：

内层隔热容器1、内层导热板11、中层隔热容器2、冷头容器3、冷头导热板31、超导线圈4、制冷器5、一级冷头51、二级冷头52、导热抱箍6、第一导热线71、第二导热线72、第三导热线73、外层隔热容器8。

具体实施方式

本实用新型的核心在于提供一种超导线圈双路制冷装置，在预冷阶段使内层隔热容器更快地降温，在停止阶段能够延长超导线圈失去超导的时间。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面将结合附图及具体的实施方式，对本实用新型的超导线圈双路制冷装置进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本实用新型提供的超导线圈双路制冷装置的结构示意图；本实用新型的超导线圈双路制冷装置包括内层隔热容器1、中层隔热容器2、冷头容器3等结构，内层隔热容器1中设置超导线圈4，冷头容器3至少部分伸入中层隔热容器2，冷头容器3内设置制冷器5；内层隔热容器1设置在中层隔热容器2，冷头容器3的下部位于中层隔热容器2内。冷头容器3内装有气液混合相态的氦气、氮气、氩气、氖气中的一种或多种，在冷头容器3内设有制冷器5，通过制冷器5使内部的气体降温形成液态介质，下落到冷头容器3的底部，底部的液态介质吸收热量后发生汽化，保持冷头容器3的底部处于低温状态，汽化后的气体向上移动，与制冷器5的冷头接触后重新降温液化，循环往复形成动态平衡。

内层隔热容器1的外部设置导热抱箍6，导热抱箍6采用导热系数大于等于铝的金属材料制成，通常可选用铜、铝等材料；导热抱箍6与内层隔热容器1的外表面接触，内层隔热容器1通常采用不锈钢等材料制成，制冷器5通过冷头容器3分别对导热抱箍6和超导线圈4进行热交换；制冷器5通过对冷头容器3内部的气体冷却降温液化形成液态，进一步通过冷头容器3传导冷量，使与冷头容器3接触的部分降温；导热抱箍6和超导线圈分别直接或间接地与冷头容器3接触，冷头容器3的冷量分为两路，分别向导热抱箍6和超导线圈4传递，一路冷量使超导线圈4降温达到超导状态所需的温度，另一路冷量流向导热抱箍6，导热抱箍6进一步向内层隔热容器1传递冷量，由于导热抱箍6采用导热效率优良的材料制成，导热抱箍6各处能够实现快速降温，冷量均匀地传导到内层隔热容器1的外表面，使内层隔热容器1快速降温，相对于传统地只对超导线圈传递冷量，再经过超导线圈传递冷量的方式，可更加快速地使内层隔热容器1内部达到超导所需的温度，在预冷阶段减少达到超导温度环境的时间；当制冷器停止制冷时，制冷器5成为热源，反向分为两路分别向导热抱箍6和超导线圈4传递热量，由于通过导热抱箍6分流热量，延缓了超导线圈4的升温速度，减少了单位时间内向超导线圈4传递的热量，可延长超导线圈失去超导的时间。

本实用新型的超导线圈双路制冷装置采用两路分流制冷器5产生的冷量和热量，在预冷阶段实现快速降温，在停止阶段延缓超导线圈4的升温速率，延长超导线圈失去超导的时间。

在上述方案的基础上，本实用新型在冷头容器3的底部设置冷头导热板31，冷头导热板31可作为冷头容器3的底面，内层隔热容器1的侧壁设置内层导热板11，冷头导热板31与内层导热板11均采用导热率良好的材料制成，例如铜等；冷头导热板31与内层导热板11通过第一导热线71导热连接，冷头导热板31与导热抱箍6之间通过第二导热线72导热连接，第一导热线71和第二导热线72采用导热率优良的材料制成，能够快速地在冷头导热板31与内层导热板11、以及冷头导热板31与导热抱箍6之间传递冷量。由于采用第一导热线71和第二导热线72作为热量传递的介质，因此设置冷头导热板31和内层导热板11能够方便连接。

如图1所示，本实用新型中的内层导热板11与超导线圈4之间通过第三导热线73导热连接，通过第三导热线73传导热量，第三导热线73能够弯折，因此能够将超导线圈4布置在内层隔热容器1的中间位置。

具体地，本实用新型中设置的第一导热线71、第二导热线72和第三导热线73均为软铜线束，由多根柔软可变形弯折的细铜丝制成，软铜线束的两端分别与其所连接的结构焊接固定。

优选地，本实用新型中的导热抱箍6呈筒形，焊接固定在内层隔热容器1的外表面，导热抱箍6沿轴向的长度短于内层隔热容器1，安装在内层隔热容器1的中部位置；内层导热板11通过氩弧焊固定在内层隔热容器1的外表面；采用焊接固定的方式能够减少接触热阻，保证热量的传递效率。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，本实用新型还包括外层隔热容器8，外层隔热容器8包围中层隔热容器2和内层隔热容器1，外层隔热容器8的体积最大，内部设置中层隔热容器2，中层隔热容器2的内部设置内层隔热容器1，通过三层隔热结构保证与外界的隔热效果。内层隔热容器1可实现4K隔热防护，中层隔热容器2可实现50K隔热防护，外层隔热容器8可实现300K隔热防护。

如图1所示，本实用新型提供的制冷器5包括一级冷头51和二级冷头52，二级冷头52与冷头导热板31直接导热，进一步提升导热板31的换热效率，一级冷头51位于靠上的位置，当冷头容器3内部的液态介质汽化后向上移动，与一级冷头51接触后重新液化。

优选地，在冷头导热板31上设置用于增大换热面积的翅片，翅片位于接触液态介质的一侧，更好地与第三导热线73产生热交换。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种超导线圈双路制冷装置，其特征在于，包括内层隔热容器(1)、中层隔热容器(2)、冷头容器(3)，所述内层隔热容器(1)中设置超导线圈(4)，所述冷头容器(3)至少部分伸入所述中层隔热容器(2)，所述冷头容器(3)内设置制冷器(5)；

所述内层隔热容器(1)的外部设置导热抱箍(6)，所述制冷器(5)通过所述冷头容器(3)分别对所述导热抱箍(6)和所述超导线圈(4)进行热交换。

2.根据权利要求1所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述冷头容器(3)的底部设置冷头导热板(31)，所述内层隔热容器(1)的侧壁设置内层导热板(11)，所述冷头导热板(31)与所述内层导热板(11)通过第一导热线(71)导热连接，所述冷头导热板(31)与所述导热抱箍(6)之间通过第二导热线(72)导热连接。

3.根据权利要求2所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述内层导热板(11)与所述超导线圈(4)之间通过第三导热线(73)导热连接。

4.根据权利要求3所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述第一导热线(71)、所述第二导热线(72)和所述第三导热线(73)均为软铜线束。

5.根据权利要求3所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述导热抱箍(6)呈筒形，焊接固定在所述内层隔热容器(1)的外表面；所述内层导热板(11)通过氩弧焊固定在所述内层隔热容器(1)的外表面。

6.根据权利要求2至5任一项所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，还包括外层隔热容器(8)，所述外层隔热容器(8)包围所述中层隔热容器(2)和所述冷头容器(3)。

7.根据权利要求6所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述制冷器(5)包括一级冷头(51)和二级冷头(52)，所述二级冷头(52)与所述冷头导热板(31)直接导热。

8.根据权利要求7所述的超导线圈双路制冷装置，其特征在于，所述冷头导热板(31)上设置用于增大换热面积的翅片。

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