高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統的製作方法
2023-05-26 04:51:26
高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，選取液氮作為冷卻介質，利用熱虹吸原理，將制冷機安裝杜瓦、磁體冷卻杜瓦、液氮連通管道、蒸發氮氣連通管道組成的一個封閉循環系統的方式來冷卻超導磁體。本發明解決了液氮直接浸泡冷卻方式中需定期補充液氮，大冷量低溫制冷機直接冷卻方式中超導磁體冷卻效果不好以及強迫對流循環冷卻中必須選用價格昂貴的低溫氦氣泵而帶來的成本高的問題。冷卻介質液氮溫度可控，為研究高溫超導磁體在特定溫度下的性能提供了條件。系統將制冷機和超導磁體分開放置，避免超導磁體的失超對制冷機的損害，安全性得到提高。超導磁體與電流引線組成一個整體，可以直接從磁體冷卻杜瓦吊出或吊入，拆裝更換方便。
【專利說明】高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及超導應用低溫【技術領域】，具體為高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統。【背景技術】
[0002]隨著超導技術的發展，超導磁體在科研和工業中的應用越來越廣泛。目前，在大型的應用場合如高能加速器、高能粒子探測器、核聚變裝置等，超導磁體的應用已較為普遍，而且某些場合超導磁體幾乎是唯一的選擇。而在一些中小應用場合，超導磁體也有相當的發展前景，超導磁拉單晶生長爐、超導磁體分離裝置、超導核磁成像裝置等方面都有很大的發展。然而超導的實現離不開低溫技術的應用，它為超導應用提供最基本的運行條件，是超導應用系統整體的一個重要而不可分割的部分。
[0003]選用液氮作為冷卻介質對高溫超導磁體進行冷卻，常見的有三種:1)液氮直接浸泡方式冷卻超導磁體，方法直接簡單。但是由於低溫容器、電流引線及支撐結構的漏熱不可避免，液氮不斷的蒸發消耗，因此需要定期補充液氮，操作程序繁瑣。低溫液體的使用需要豐富的低溫知識和熟練的低溫技術和經驗，而且低溫液體價格比較昂貴，加上超導磁體試驗時間相對較長，因此成本較高。液氮溫度只能在77K附近，無法滿足更低溫度下高溫超導磁體試驗條件。這些因素嚴重阻礙了超導磁體技術的普及和以超導磁體技術為基礎的相關技術的發展。2)過冷液氮強迫對流冷卻超導磁體，這種冷卻方式冷卻效果好，但是系統相對複雜，可靠性差，且由於循環流量以及循環壓力較大，安全性較差，另外強迫對流需要低溫液氮泵，這種設備國內產品可靠性差，國外產品價格相對較高。雖然液氮溫度可低於77K，但是仍然無法較準確控制液氮溫度，從而無法提供在特定溫度下研究超導磁體性能的試驗條件。3)大冷量低溫制冷機傳導冷卻超導磁體，這種冷卻方式一般冷卻時間較長，冷卻效果不均勻，對磁體繞制有特殊要求；由於沒有冷量儲備，制冷機失效時，超導磁體將馬上升溫導致失超，磁體穩定性差；磁體拆裝更換操作繁瑣。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種高溫超導磁體低溫氦氣自循環冷卻系統，以解決現有技術存在的問題。
[0005]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案為:
[0006]高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，本發明特徵在於，包括制冷機安裝杜瓦、磁體冷卻杜瓦、液氮連通管道、蒸發氮氣連通管道、AL600G-M制冷機、1000V，1000A電流引線、高溫超導磁體、冷頭換熱器、集成安裝平臺、安全組件；其中，AL600G-M制冷機安裝在制冷機安裝杜瓦的上蓋板法蘭上，高溫超導磁體吊裝在磁體冷卻杜瓦的上蓋板法蘭下方，1000V,1000A電流引線安裝在磁體冷卻杜瓦的上蓋板上；制冷機安裝杜瓦和磁體冷卻杜瓦與集成安裝平臺通過螺栓連接形成一個整體；制冷機安裝杜瓦和磁體冷卻杜瓦的液相空間通過可拆卸的承插式液氮流通管道連通，兩者的氣相空間通過蒸發氮氣連通管道連通；
[0007]AL600G-M制冷機冷頭上安裝冷頭換熱器，冷頭換熱器上表面與高溫超導磁體上表面在同一高度；液氮連通管道的中心線在高溫超導磁體上表面下方200mm ;液氮液面與冷頭換熱器上表面在同一高度；安全組件設置在磁體冷卻杜瓦的上蓋板上。
[0008]本發明所述的安全組件包括安全閥、壓力表、壓力變送器、電磁放氣閥、手動放氣閥；其中電磁放氣閥通過壓力變送器設置的壓力上下限來控制開啟與關閉。
[0009]本發明所述的冷頭換熱器上設置有抱箍型加熱器，用以調節制冷機輸出冷量，間接控制磁體冷卻杜瓦裡的液氮溫度。
[0010]本發明的有益效果:
[0011]本發明為高溫超導磁體冷卻問題所採用技術方案與現有的和曾有的高溫超導磁體冷卻方式相比有以下幾方面優點和改進。
[0012]第一，本發明選取液氮作為冷卻介質利用熱虹吸原理採取將制冷機安裝杜瓦、磁體冷卻杜瓦、液氮連通管道、蒸發氮氣連通管道組成的一個封閉系統的方式來冷卻超導磁體。超導磁體勵磁前，系統本身熱負荷將使得液氮蒸發為氮氣，這部分氮氣最終將被制冷機液化成液氮，即系統中液氮量不會減少。超導磁體勵磁時，電流引線發熱以及超導磁體交流損耗將使得磁體冷卻杜瓦中的液氮蒸發量增大，此部分氮氣將通過蒸發氮氣管道到達制冷機安裝杜瓦，被制冷機液化，制冷機安裝杜瓦中的液氮與磁體冷卻杜瓦中的液氮對流換熱，間接冷卻超導磁體。實驗過程中，液氮沒有損耗，不需要額外補充液氮，免去液氮直接浸泡冷卻方式中低溫液體輸入，解決了大冷量低溫制冷機直接冷卻方式中超導磁體冷卻效果不好的問題，同時可以省去過冷液氮強迫對流冷卻方式中昂貴的低溫液氮泵，因此操作程序得到簡化，成本得到控制，冷卻效果得到提高；
[0013]第二，本發明將高溫超導磁體、電流引線集成在磁體冷卻杜瓦的上蓋板法蘭上，可以整體從磁體冷卻杜瓦吊出或吊入，拆裝更換超導磁體方便、快捷，解決了大冷量低溫制冷機傳導冷卻超導磁體方式中拆裝更換超導磁體程序繁瑣的問題；
[0014]第三，本發明在AL600G-M制冷機冷頭換熱器上設置抱箍式加熱器，通過調節制冷機輸出冷量的方式來控制系統中液氮溫度，可實現液氮溫度65K-77K可控，控溫精度±0.5K的效果，從而為高溫超導磁體在特定溫度下的性能研究提供了條件；
[0015]第四、本發明運行最高壓力0.1MPa，相比較低溫液體浸泡冷卻方式以及低溫氦氣強迫對流冷卻方式，安全性得到提高；另外，將制冷機和超導磁體分別放置在不同的杜瓦中，超導磁體失超帶來的影響不會損害價格昂貴的制冷機。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統裝配圖。
【具體實施方式】
[0017]如圖1所示，高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，本發明包括制冷機安裝杜瓦1、磁體冷卻杜瓦2、液氮連通管道3、蒸發氮氣連通管道4、AL600G-M制冷機5、1000V，1000A電流引線6、高溫超導磁體7、冷頭換熱器8、集成安裝平臺9、安全組件10 ;其中:AL600G-M制冷機5安裝在制冷機安裝杜瓦I的上蓋板法蘭上，高溫超導磁體7吊裝在磁體冷卻杜瓦2的上蓋板法蘭下方，1000V, 1000A電流引線6安裝在磁體冷卻杜瓦2的上蓋板上；制冷機安裝杜瓦I和磁體冷卻杜瓦2與集成安裝平臺9通過螺栓連接形成一個整體；制冷機安裝杜瓦I和磁體冷卻杜瓦2的液相空間通過可拆卸的承插式液氮流通管道3連通，兩者的氣相空間通過蒸發氮氣連通管道4連通；AL600G-M制冷機5冷頭上安裝冷頭換熱器8，冷頭換熱器8上表面與高溫超導磁體7上表面在同一高度；液氮連通管道3的中心線在高溫超導磁體7上表面下方200mm ;液氮液面與冷頭換熱器8上表面在同一高度；安全組件10設置在磁體冷卻杜瓦2的上蓋板上。
[0018]本發明所述的安全組件10包括安全閥、壓力表、壓力變送器、電磁放氣閥、手動放氣閥；其中電磁放氣閥通過壓力變送器設置的壓力上下限來控制開啟與關閉。
[0019]本發明所述的冷頭換熱器8上設置有抱箍型加熱器，用以調節制冷機輸出冷量，間接控制磁體冷卻杜瓦2裡的液氮溫度。
[0020]本發明制冷機安裝杜瓦I和磁體冷卻杜瓦2與集成安裝平臺9通過螺栓連接形成一個整體，這樣運輸、移動較為方便。
[0021]試驗時，首先向制冷機安裝杜瓦I加注液氮至液氮面與冷頭換熱器8上表面在同一高度，開啟AL600G-M制冷機5，超導磁體勵磁前，系統本身熱負荷將使得液氮蒸發為氮氣，這部分氮氣最終將被制冷機液化成液氮，即系統中液氮量不會減少。超導磁體勵磁時，電流引線發熱以及超導磁體交流損耗將使得磁體冷卻杜瓦中的液氮蒸發量增大，此部分氮氣將通過蒸發氮氣管道到達制冷機安裝杜瓦，被制冷機液化，制冷機安裝杜瓦中的液氮與磁體冷卻杜瓦中的液氮對流換熱，間接冷卻超導磁體。設置液氮控溫溫度，當液氮溫度低於設置溫度時，制冷機冷頭換熱器8上的加熱器將開始加熱，當液氮溫度高於設置溫度時，制冷機冷頭換熱器8上的加熱器將停止加熱，因此可以較準確控制液氮溫度在預想範圍，為超導磁體在特定溫度下的性能試驗提供了條件。試驗過程中，液氮無損耗，無需液氮泵等設備可以實現零蒸發功能，節約運行成本。超導磁體直接浸泡在液氮裡，且溫度可控，冷卻效果好。
[0022]在結構上，設備選擇上，原理上，本發明的高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統與最接近的的現有技術共有的必要技術特徵是:(I)選取液氮作為冷卻介質；(2)設置杜瓦，承裝冷卻介質並為超導磁體磁體提供絕熱環境；(3)設置制冷機，為系統提供冷量；(4)設置冷頭換熱器，增大換熱面積；(5)設置電流引線，為超導磁體通電。在結構上，設備選擇上，原理上，本發明與最接近的現有技術不同的技術特徵是:(I)利用熱虹吸原理，將制冷機安裝杜瓦、磁體冷卻杜瓦、液氮連通管道、蒸發氮氣連通管道組成的一個封閉循環系統的方式來冷卻超導磁體，實現液氮無損耗，即零蒸發；(2)制冷機和超導磁體分開放置在同的杜瓦裡，避免超導磁體失超對制冷機產生損壞；(3)冷卻介質液氮的溫度能夠控制，為研究高溫超導磁體在特定溫度下的性能提供了條件；(4)超導磁體與電流引線做成一個組件，可以從磁體冷卻杜瓦吊出或吊入，拆裝更換超導磁體方便快捷。
【權利要求】
1.高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，其特徵在於，包括制冷機安裝杜瓦(I)、磁體冷卻杜瓦(2)、液氮連通管道(3)、蒸發氮氣連通管道(4)、AL600G-M制冷機(5)、1000V，IOOOA電流引線(6)、高溫超導磁體(7)、冷頭換熱器(8)、集成安裝平臺(9)、安全組件(10);其連接結構為:AL600G-M制冷機(5)安裝在制冷機安裝杜瓦(I)的上蓋板法蘭上，高溫超導磁體(7)吊裝在磁體冷卻杜瓦(2)的上蓋板法蘭下方，1000V，1000A電流引線(6)安裝在磁體冷卻杜瓦(2)的上蓋板上；制冷機安裝杜瓦(I)和磁體冷卻杜瓦(2)與集成安裝平臺(9)通過螺栓連接形成一個整體；制冷機安裝杜瓦(I)和磁體冷卻杜瓦(2)的液相空間通過可拆卸的承插式液氮流通管道(3)連通，兩者的氣相空間通過蒸發氮氣連通管道(4)連通；AL600G-M制冷機(5)冷頭上安裝冷頭換熱器(8)，冷頭換熱器(8)上表面與高溫超導磁體(7)上表面在同一高度；液氮連通管道(3)的中心線在高溫超導磁體(7)上表面下方200mm;液氮液面與冷頭換熱器(8)上表面在同一高度；安全組件(10)設置在磁體冷卻杜瓦(2)的上蓋板上。
2.根據權利要求1所述的高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，其特徵在於，安全組件(10)包括安全閥、壓力表、壓力變送器、電磁放氣閥、手動放氣閥；其中電磁放氣閥通過壓力變送器設置的壓力上下限來控制開啟與關閉。
3.根據權利要求1所述的高溫超導磁體液氮零蒸發冷卻系統，其特徵在於，冷頭換熱器(8)上設置有抱箍型加熱器，用以調節制冷機輸出冷量，間接控制磁體冷卻杜瓦(2)裡的液氮溫度。
【文檔編號】H01F6/04GK103985499SQ201410158070
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年4月19日 優先權日:2014年4月19日
【發明者】胡南南, 宋萌, 曹昆南, 何超峰, 鬱歡強, 宣偉, 卞榮耀 申請人:雲南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院, 雲南電網公司技術分公司