CN220306059U - 可插拔式的固氮冷却高温超导磁体 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高温超导磁体技术领域，公开了一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体。其中，该超导磁体包括制冷机冷头、第一导冷带、固氮腔、外杜瓦、第二导冷带、超导线圈和导冷层，所述固氮腔和所述超导线圈设置在所述外杜瓦内，所述外杜瓦内为真空环境，所述制冷机冷头通过所述第一导冷带与所述固氮腔连接，所述固氮腔通过所述第二导冷带与所述超导线圈连接，所述导冷层设置在所述超导线圈外侧。由此，在制冷机与超导磁体分离后，可以较长时间维持超导线圈的低温状态以及更好地实现超导磁体在动态环境下的使用，减少了制冷机在运动环境下的重量增加以及可靠性降低的问题。

Description

可插拔式的固氮冷却高温超导磁体

技术领域

本实用新型涉及高温超导磁体技术领域，尤其涉及一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体。

背景技术

由高温超导材料绕制的高温超导磁体可以应用于超导电动磁悬浮列车、高温超导飞轮储能、核磁共振成像等领域，具有常导磁体和传统磁体装备不具有的优点，例如更小的占用空间、更高的磁场强度和电流密度等。

高温超导带材存在三个临界指标，分别是临界电流、临界温度以及临界磁场，当三个指标均足超导态的要求时，高温超导带材会由电阻态变成超导态。高温超导磁体在实际应用时通常选择液氮(77K)作为制冷剂来冷却高温超导磁体使其迅速进入超导态，但要发挥出高温超导磁体的最佳性能，就需要进一步降低低温系统的温度。例如高温超导带材在77K下的临界电流为200A，那么当温度下降至20K时其临界电流可以达到300A甚至更高，随着温度的降低，高温超导带材的通流能力也不断提高，相对应地，高温超导磁体产生的磁场和安全裕度也得到了提高。

为了给高温超导磁体提供一个更低的温度环境，目前有两种技术方案，一种是利用制冷机作为冷源冷却超导磁体，另外一种是直接利用液氦来冷却超导磁体。但这两种方案在实际使用中均存在一定的缺点。

采用制冷机冷却高温超导磁体有如下缺点：

1、在超导电动磁悬浮列车、高温超导飞轮储能以及大功率电磁推进等应用领域，高温超导磁体需要作为运动部件来使用；同样地，制冷机也需要随高温超导磁体一起运动，在运动环境下制冷机的可靠性以及制冷性能均会受到影响。

2、制冷机一直处于工作状态无疑增加了超导磁体系统的整体重量，一旦撤掉制冷机，没有冷源之后高温超导磁体的温度会迅速上升，使用时间以及安全性会大打折扣。

3、制冷机冷头体积有限，目前现有技术方案大都采用铜导冷带传导冷却的方式冷却超导磁体，受限于冷头的体积有限，导致冷却不均匀，冷却效果较差，导致超导磁体局部局域容易发生失超。

采用液氦直接冷却也有如下缺点：

1、液氦作为战略物资，其储量非常有限，供应无法得到保证，在一定程度上限制了液氦的使用场景。

2、液氦的价格非常昂贵，高温超导磁体采用液氦降温使用的液氦量较大，降温成本很高，且对液氦进行回收利用的回收系统也非常复杂和昂贵。

实用新型内容

本实用新型提供了一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体，能够解决现有技术中的技术问题。

本实用新型提供了一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体，其中，该超导磁体包括制冷机冷头、第一导冷带、固氮腔、外杜瓦、第二导冷带、超导线圈和导冷层，所述固氮腔和所述超导线圈设置在所述外杜瓦内，所述外杜瓦内为真空环境，所述制冷机冷头通过所述第一导冷带与所述固氮腔连接，所述固氮腔通过所述第二导冷带与所述超导线圈连接，所述导冷层设置在所述超导线圈外侧。

优选地，所述第一导冷带采用金属编织带制成。

优选地，所述第二导冷带采用金属编织带制成。

优选地，所述金属为铜。

优选地，所述超导线圈采用高温超导带材绕制而成。

优选地，所述导冷层采用金属丝制成。

优选地，所述金属丝为铜丝。

通过上述技术方案，可以利用制冷机对固氮腔进行冷却，进一步降低固氮的温度，且在固氮腔与制冷机以及固氮腔与超导线圈之间通过对应的导冷带进行冷量传递。由此，在制冷机与超导磁体分离后，可以较长时间维持超导线圈的低温状态以及更好地实现超导磁体在动态环境下的使用，减少了制冷机在运动环境下的重量增加以及可靠性降低的问题。此外，通过设置导冷层，可以充分利用制冷机以及固氮腔的冷量，且对超导线圈的冷却更加均匀，可以有效防止超导线圈由于局部温度的上升而导致超导线圈失超。

附图说明

所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。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示出了根据本实用新型一种实施例的一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体的结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1示出了根据本实用新型一种实施例的一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体的结构示意图。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体，其中，该超导磁体包括制冷机冷头1、第一导冷带2、固氮腔3、外杜瓦4、第二导冷带5、超导线圈6和导冷层7，所述固氮腔3和所述超导线圈6设置在所述外杜瓦4内，所述外杜瓦4内为真空环境，所述制冷机冷头1通过所述第一导冷带2与所述固氮腔3连接，所述固氮腔3通过所述第二导冷带5与所述超导线圈6连接，所述导冷层7设置在所述超导线圈7外侧。

其中，制冷机冷头为制冷机输出冷量的部件，实际制冷时通过与固氮腔连接实现对固氮腔的冷却。制冷机为一种将电能转变为冷量的设备。固氮腔用于储存液氮，液氮的温度为77K，当利用制冷机的冷头对其进行降温至低于77K时，液氮会发生凝固形成固氮。在制冷机冷却下，固氮的温度可以持续降低，例如可以降低到20K。固氮形成之后,可以类似于冰块一样实现冷量的储存，进而可以利用固氮腔内降温后的固氮作为冷源持续给超导线圈输出冷量。外杜瓦的真空环境在很大程度上可以减少整个超导磁体系统的对流散热。

通过上述技术方案，可以利用制冷机对固氮腔进行冷却，进一步降低固氮的温度，且在固氮腔与制冷机以及固氮腔与超导线圈之间通过对应的导冷带进行冷量传递。由此，在制冷机与超导磁体分离后，可以较长时间维持超导线圈的低温状态以及更好地实现超导磁体在动态环境下的使用，减少了制冷机在运动环境下的重量增加以及可靠性降低的问题。此外，通过设置导冷层，可以充分利用制冷机以及固氮腔的冷量，且对超导线圈的冷却更加均匀，可以有效防止超导线圈由于局部温度的上升而导致超导线圈失超。

在本实用新型中，虽然上述描述的使用制冷机对固氮腔进行冷却，但本实用新型不限于此，也可以采用冷氦气循环系统等其它制冷系统对固氮腔进行冷却。

根据本实用新型一种实施例，所述第一导冷带2采用金属编织带制成。

也就是，通过第一导冷带连接制冷机冷头和固氮腔，实现制冷机冷头与固氮腔之间的冷量传递。

根据本实用新型一种实施例，所述第二导冷带5采用金属编织带制成。

也就是，通过第二导冷带连接固氮腔和超导线圈，实现固氮腔和超导线圈之间的冷量传递。

根据本实用新型一种实施例，所述金属为铜。

举例来讲，可以采用软铜编织带制成第一导冷带和第二导冷带。

本领域技术人员应当理解，上述关于导冷带材料的描述仅仅是示例性的，并非用用于限定本实用新型。

根据本实用新型一种实施例，所述超导线圈6采用高温超导带材绕制而成。

其中，高温超导带材在液氮温度77K下可以达到超导态，从而可以无损的通过较大电流从而产生很强的磁场。

根据本实用新型一种实施例，所述导冷层7采用金属丝制成。

根据本实用新型一种实施例，所述金属丝为铜丝。

举例来讲，可以采用絮状细铜丝包裹在超导线圈外侧形成导冷层，同时细铜丝与固氮腔连接的导冷带连接，实现固氮腔与超导线圈之间的冷量传递，通过非常致密的细铜丝对超导线圈进行包裹可以实现超导线圈冷却的均匀性。

下面结合实例对本实用新型所述的可插拔式的固氮冷却高温超导磁体进行描述。

在实际使用时，首先将固氮腔内充满液氮，之后开启制冷机，利用制冷机继续对固氮腔内的固氮进行降温，在这个过程中冷量传递的路径为：

制冷机冷头1→第一导冷带2→固氮腔3→第二导冷带5→导冷层7→高温超导线圈7。

在高温超导线圈的温度降至预定温度后，可以断开制冷机冷头与固氮腔之间的第一导冷带的连接，从而实现制冷机与超导磁体的断开，此时由于固氮腔内的液氮已经变成了固氮，且固氮的比热容较大，在一定程度上固氮可以作为一个内置的冷源持续不断的继续向超导线圈进行冷量的输出从而维持其低温状态，且在超导线圈外包裹的细铜丝可以非常均匀的将固氮腔的冷量进行传输，保证超导线圈温度的一致性。

从上述实施例可以看出，本实用新型上述实施例所述的可插拔式的固氮冷却高温超导磁体至少具有以下优点：

1、制冷机可以与超导磁体分离，且在制冷机与超导磁体分离后，固氮腔内的固氮成为新的冷源，同时由于固氮的比热容较大，可以较长时间维持超导线圈的低温状态；

2、制冷机与超导磁体分离后可以更好的实现超导磁体在动态环境下的使用，减少了制冷机在运动环境下的重量增加以及可靠性降低的问题；

3、采用絮状细铜丝对超导线圈进行包裹，可以充分利用制冷机以及固氮腔的冷量，且对超导线圈的冷却更加均匀，可以有效防止超导线圈由于局部温度的上升而导致超导线圈失超。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可插拔式的固氮冷却高温超导磁体，其特征在于，该超导磁体包括制冷机冷头(1)、第一导冷带(2)、固氮腔(3)、外杜瓦(4)、第二导冷带(5)、超导线圈(6)和导冷层(7)，所述固氮腔(3)和所述超导线圈(6)设置在所述外杜瓦(4)内，所述外杜瓦(4)内为真空环境，所述制冷机冷头(1)通过所述第一导冷带(2)与所述固氮腔(3)连接，所述固氮腔(3)通过所述第二导冷带(5)与所述超导线圈(6)连接，所述导冷层(7)设置在所述超导线圈(6)外侧。

2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述第一导冷带(2)采用金属编织带制成。

3.根据权利要求2所述的超导磁体，其特征在于，所述第二导冷带(5)采用金属编织带制成。

4.根据权利要求3所述的超导磁体，其特征在于，所述金属为铜。

5.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述超导线圈(6)采用高温超导带材绕制而成。

6.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述导冷层(7)采用金属丝制成。

7.根据权利要求6所述的超导磁体，其特征在于，所述金属丝为铜丝。