一种高温超导磁体杜瓦装置的制作方法

[0001]
本发明属于超导磁体技术领域，具体涉及一种用于容纳高温超导磁体，并实现磁体的绝热、冷却与控温的高温超导磁体杜瓦装置。


背景技术：

[0002]
高温超导磁体利用高温超导带材电流密度高、损耗低的优点，将高温超导带材绕制成线圈，组合成磁体，具有产生场强高、尺寸小、损耗低等优点，在储能、提供高场环境等方面具有较佳的应用前景。
[0003]
目前高温超导磁体的冷却方式有传导冷却与液态冷媒浸泡冷却两种。其中液态冷媒浸泡冷却效果好，可以减少金属导冷部件的使用，耐压等级相对高，但液态冷媒的存在增加了冷媒泄漏及安全的风险，并需要增加常温缓冲储气罐；传导冷却则具有操作简单、无冷媒泄漏风险、无需储气罐等优点，具有广泛的应用。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高温超导磁体杜瓦，实现超导磁体的传导冷却及与外部环境的良好隔热，并可进行自动控温，同时加快磁体的降温速度，简化磁体及冷屏支撑结构。
[0005]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导磁体杜瓦装置，包括密封连接的杜瓦下筒体和杜瓦上法兰以及位于杜瓦下筒体内由铜冷屏下筒体和铜冷屏上板构成的环筒状铜冷屏，环筒状铜冷屏内设置有加热器，与外部温控仪组成的温控系统，所述的环筒状铜冷屏内通过绝热支撑杆设置有超导磁体，所述的超导磁体和铜冷屏上板分别连接低温制冷机，所述的杜瓦上法兰上设置有抽空接口和航空插座，杜瓦上法兰通过密封绝缘接头引入电流引线，所述的电流引线为铜引线段和高温超导段连接而成的二元引线，所述的高温超导段与超导磁体连接，所述的超导磁体和铜冷屏上板之间连接有内充高压氮气的自动热连接隔断部件。
[0006]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其铜冷屏上板与铜冷屏下筒体为可拆卸结构形式，采用螺栓连接，接触面垫铟片增强传热。降温过程中通过氮气的冷凝、凝固自动实现铜冷屏上板与磁体系统上端金属板间的热连接与隔断。
[0007]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其自动热连接隔断部件由中间的不锈钢波纹管和两端的高纯无氧铜板构成。
[0008]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其铜引线段为紫铜编织带或铜带，位于杜瓦上法兰内，所述的高温超导段为bi-2223高温超导线材，位于环筒状铜冷屏内，铜引线段下端和高温超导段上端通过u型铜块和螺栓安装在铜冷屏上板上，所述的u型铜块与铜冷屏上板之间设置有上氮化铝片，传热接触界面均填充铟片或导热脂以减小接触热阻。
[0009]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其高温超导段的下端一侧通过编织铜带与超导磁体上端金属板连接传递其漏热，下端另一侧通过连接线与超导磁体的引线连接，所述
的编织铜带与金属板之间设置有下氮化铝片实现绝缘下的热传导，传热接触界面均填充铟片或导热脂以减小接触热阻。
[0010]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其绝热支撑杆采用玻璃钢、碳纤维或钛合金，一端通过紧固件与杜瓦上法兰连接，另一端与超导磁体结构件相连，中部通过金属支撑板与铜冷屏上板连接，既实现铜冷屏上板与铜冷屏下筒体的支撑，又将绝热支撑杆常温端导入的热量传递至铜冷屏上板，减少传递给超导磁体温区的热量。
[0011]
所述的一种高温超导磁体杜瓦装置，其低温制冷机为gm制冷机或脉管制冷机，采用单级制或多级制冷却环筒状铜冷屏与超导磁体。
[0012]
进一步，所述的低温制冷机包括分别通过导冷元件二和导冷元件一连接超导磁体和铜冷屏上板的磁体温区低温制冷机和70k温区低温制冷机，所述的加热器采用加热电阻片或加热棒置于导冷元件二上。
[0013]
更进一步，所述的导冷元件一和导冷元件二的为两端铜高纯无氧铜铜板、中间高纯无氧铜编织带的结构，所有传热连接接触面填充铟片或导热脂减小接触热阻。
[0014]
本发明的有益效果是：1，本发明超导磁体采用制冷机直接传导冷却形式，具有操作简单的优点，启停只需一个按钮，无液态低温冷却介质故障状态下剧烈蒸发的风险；2，本发明二元电流引线的铜引线段下端与高温超导段上端通过一u型铜块两端连接，并采用氮化铝片进行绝缘导热，结构简单，传热效果好，相较高温超导段上端与铜引线段下端直接连接的结构形式，降低了高温超导段上端的温度，提高了高温超导段的工作可靠性；3，本发明绝热支撑杆通过中部设置安装接口，既支撑磁体又支撑铜冷屏，简化了系统支撑结构，减小了支撑杆传输给磁体系统的漏热；4，本发明铜冷屏上板与磁体系统上端金属板间设置内充有高压氮气的自动热连接隔断部件，可加快磁体系统的降温速度，同时又能实现磁体与铜冷屏间的良好热隔离。
附图说明
[0015]
图1为本发明的整体结构示意图；图2为图1的局部放大图。
[0016]
各附图标记为：1—杜瓦下筒体，2—铜冷屏下筒体，3—超导磁体，4—绝热支撑杆，5—导冷元件一，6—导冷元件二，7—加热器，8—金属支撑板，9—杜瓦上法兰，10—抽空接口，11—磁体温区低温制冷机，12—铜引线段，13—密封绝缘接头，14—航空插座，15—70k温区低温制冷机，16—铜冷屏上板，17—自动热连接隔断部件，17-1—高压氮气，18—下氮化铝片，19—铜编织带，20—连接线，21—高温超导段，22—紧固件，23—u型铜块，24—上氮化铝片，25—螺栓。
具体实施方式
[0017]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0018]
参照图1、图2所示，本发明公开的一种高温超导磁体杜瓦，属于超导磁体低温冷却与绝热技术，用于容纳高温超导磁体，并实现磁体的低温冷却及与外部常温环境的隔热；其包括杜瓦上法兰9、杜瓦下筒体1、由铜冷屏下筒体2和铜冷屏上板16构成的环筒状铜冷屏、
由电流引线、u型铜块23、上氮化铝片24、紧固件22、下氮化铝片18、铜编织带19和连接线20组成的冷却结构、低温制冷机、导冷元件一5、导冷元件二6、绝热支撑杆4以及温控系统。
[0019]
所述的杜瓦上法兰9及杜瓦下筒体1组成一个真空容器，杜瓦上法兰9与杜瓦下筒体1采用o型圈密封，杜瓦上法兰9采用椭圆形封头结构形式，以减少法兰厚度，降低法兰重量，杜瓦上法兰9上还设置有抽空接口10和航空插座14，杜瓦下筒体1由圆形筒体及椭圆型下封头焊接为一个整体。
[0020]
杜瓦装置内的铜冷屏下筒体2和铜冷屏上板16包围超导磁体3，并由低温制冷机11冷却至70k温区左右，用于隔绝常温环境对超导磁体3的直接辐射传热，大大降低超导磁体3温区的漏热，增加磁体温度的均匀性。
[0021]
冷却超导磁体3及环筒状铜冷屏的低温制冷机可采用gm制冷机或脉管制冷机，可根据系统冷量的需求选取制冷机的型号及台数，可分别采用单级制冷机冷却环筒状铜冷屏与超导磁体3，也可采用双级制冷机同时冷却环筒状铜冷屏与超导磁体3，磁体温区低温制冷机11和70k温区低温制冷机15的低温面通过导冷元件一5和导冷元件二6连接超导磁体3和环筒状铜冷屏，将超导磁体3和铜冷屏上板16冷却至需要的温度，导冷元件一5和导冷元件二6采用两端为铜高纯无氧铜铜板，中间为高纯无氧铜编织带的结构，所有传热连接接触面填充铟片或导热脂减小接触热阻。
[0022]
电流引线从外部大气环境引入杜瓦内部连接超导磁体3，传输磁体工作电流，电流引线采用二元引线，上段为铜引线段12，采用紫铜编织带或铜带制作，下段为高温超导段21，可购买市场上高温超导电流引线商用产品或采用bi-2223高温超导线材制作。铜引线段12的截面与长度尺寸进行优化使其传导漏热与电阻发热之和最小。
[0023]
其中铜引线段12下端与高温超导段21上端和一u型铜块23两端通过螺栓25连接传输电流，u型铜块23通过螺栓25压装于铜冷屏上板16上，铜块23与铜冷屏上板16间设有上氮化铝片24，利用上氮化铝片24的绝缘性与良好导热性实现u型铜块23与铜冷屏上板16间的导热与绝缘，传热接触界面均填充铟片或导热脂以减小接触热阻，上氮化铝片24的厚度根据超导磁体的电压等级选取，u型铜块23与铜冷屏上板16间的接触面积根据铜引线段12漏热确定。
[0024]
高温超导段21下端一侧通过编织铜带19与超导磁体3上端金属板连接传递其漏热，编织铜带19与金属板间设有下氮化铝片18实现绝缘下的热传导，传热接触界面均填充铟片或导热脂以减小接触热阻，接触面积根据高温超导段21漏热确定。高温超导段21下端另一侧通过并高温超导带的连接线20与超导磁体3的引线连接。电流引线21穿出杜瓦上法兰9的密封绝缘接头13根据工作电压与电流选取市场上金属密封圈密封的标准电穿通件。避免了采用o型圈密封接头时由于接头部位温度低影响密封的问题。
[0025]
所述的绝热支撑杆4材料可采用导热系数低强度高的玻璃钢、碳纤维或钛合金。磁体支撑杆4一端通过紧固件22与杜瓦上法兰9连接，另一端与超导磁体3的环形结构件相连，绝热支撑杆4中部设置有安装接口，通过金属支撑板8与铜冷屏上板16连接，既实现铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2的支撑，又将绝热支撑杆4常温端导入的热量传递至铜冷屏上板16，减少传递给超导磁体3温区的热量。
[0026]
电流引线的高温超导段21以及电压、温度及应变等测量信号线均由杜瓦上法兰9相应接口上引出，铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2及超导磁体3均支撑悬吊于杜瓦上法兰9，
杜瓦下筒体1上不安装任何接口，保证了磁体杜瓦拆卸时，超导磁体3、铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2及杜瓦上法兰9可整体吊出。
[0027]
高温超导磁体杜瓦装置内的铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2、环形结构超导磁体3等低温部件外表面均包扎多层绝热材料减小辐射漏热。
[0028]
本发明高温超导磁体杜瓦装置还包括温控系统，温控系统由加热器7和温控仪组成，加热器7可采用加热电阻片或加热棒设置在导冷元件二6上，通过温控仪配合实现对磁体的温度控制，可用于开展不同磁体温度对磁体性能影响的试验研究。
[0029]
高温超导磁体杜瓦装置的铜冷屏上板16与超导磁体3上端金属板间可安装内充有高压氮气17-1的自动热连接隔断部件17，自动热连接隔断部件17两端采用高纯无氧铜板，中间采用不锈钢金属波纹管。由于铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2的重量一般远小于超导磁体3的重量，铜冷屏上板16与铜冷屏下筒体2的降温速度一般远快于超导磁体3的降温速度，在此情况下，采用充有高压氮气17-1的自动热连接隔断部件17后，当铜冷屏上板16温度低于高压氮气17-1的冷凝温度后，高压氮气17-1冷凝为液氮因重力滴下至自动热连接隔断部件17下端吸收下端超导磁体3热量后再蒸发为氮气，因而可加速超导磁体3的降温速度。当超导磁体3的温度降至低于氮的固化温度后，自动热连接隔断部件17管道内的高压氮气17-1固化，从而实现了铜冷屏上板16与超导磁体3温区的热隔离。
[0030]
显然，上面所描述的实施例仅仅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。