一種直接冷卻的超導線圈及冷卻方法與流程
2023-06-01 03:40:31 3
本發明屬於超導磁體技術領域，具體涉及一種直接冷卻的超導線圈及冷卻方法。
背景技術：
自1909年發現超導現象以來，超導材料及其應用技術有了較快的進步。在科學研究（高場磁體，分析用的核磁共振磁體，加速器磁體，粒子探測器磁體，等等）、醫療/食品（醫用磁共振成像磁體，食品分離用磁體）、一般工業（Si單晶生長磁體，鋼連鑄用磁體，水處理用磁分離磁體）、交通/運輸（磁懸浮列車，船舶推進，彈射器）和電力（電力傳輸電纜，故障電流限制器，變壓器，發電機，馬達，儲能等）等領域有了很廣泛的應用。
超導材料的應用主要載體為超導磁體。超導磁體的運行穩定性直接決定了磁體設備的運行可靠性。常見的超導材料有NbTi，Nb3Sn，MgB2等，該類超導磁體都需要在液氦溫區內運行，同時，隨著液氦資源的緊張，低溫製冷技術的發展，傳導冷卻（conduction-cooled，也稱制冷機冷卻、無液氦、Cryogen-Free）超導磁體技術的研究正在逐步走向實用。傳導冷卻磁體要求整個繞組具有良好的熱傳導性能，骨架一般為熱導較好的材料，以順利實現快速降溫。因此，對於NbTi超導磁體，磁體繞組的骨架材料一般為銅或鋁。但對於Nb3Sn磁體繞組，由於磁體需要在700℃高溫下進行熱處理形成Nb3Sn，一般不使用銅與鋁材料，常用材料為不鏽鋼。但是，不鏽鋼的熱導與銅或鋁相比較小，不利於磁體降溫，製備的磁體的穩定性會受到溫度均勻性的影響。因此，如果能在超導線圈層間添加熱導率較好的材料實現對線圈的輔助冷卻，超導線圈的冷卻效果會有明顯改善，磁體的穩定性將有顯著的增加，同時也會縮短降溫時間。
目前傳導冷卻超導磁體繞組層間一般都不進行特別處理，有時為了使用不同線徑的超導線還會採用層間鋪墊絕緣材料的處理方式，而絕緣材料的熱導率遠比金屬小，減小了超導線圈間的熱導能力。因此，獲得一種操作簡單、易於實現、適用性強的傳導冷卻方法實現降低磁體失超風險、減小制冷機直接冷卻磁體的降溫時間的冷卻方法十分必要。
技術實現要素：
為克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種直接冷卻的超導線圈及冷卻方法，克服超導磁體冷卻技術的問題，冷卻結構簡單，易於實現，適用於超導磁體繞組的冷卻。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：
一種直接冷卻的超導線圈，其特徵在於，包括有骨架，骨架從內到外依次繞制有：繞組一、細銅線一、冷卻層一、繞組二、細銅線二、冷卻層二、繞組三；冷卻層一和冷卻層二的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
所述的骨架採用非磁性奧氏體不鏽鋼製作。
所述的冷卻層一、冷卻層二矩形銅線繞制。
所述的冷卻層一採用矩形無氧銅線。
所述的骨架兩側設有槽口。
冷卻層二採用矩形無氧銅線。
所述的繞組三外浸漬環氧樹脂。
一種超導線圈的直接冷卻方法，對於不需要熱處理的超導繞組，其特徵在於，骨架上從內到外依次設置有繞組一、細銅線一、冷卻層一、繞組二、細銅線二、冷卻層二、繞組三，包括如下步驟：
步驟1，繞組一繞制
按照一般常規方法繞制繞組一，繞制過程中超導線材的出入端從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟2，細銅線一繞制
按照一般常規方法進行細銅線的繞制，填滿繞組一外側超導線之間的間隙，並保持細銅線一外側的平整，繞制過程中細銅線一的出入端錫焊在細銅線本體上；
步驟3，冷卻層一繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線一上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟4，繞組二繞制
按照一般常規方法進行繞組二的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟5，細銅線二繞制
按照一般常規方法進行細銅線二的繞制，填滿繞組二外側超導線之間的間隙，並保持細銅線二外側的平整，繞制過程中細銅線二的出入端可錫焊在細銅線本體上；
步驟6，冷卻層二繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線二上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形無氧銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟7，繞組三繞制
按照一般常規方法進行繞組三的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟8，繞組固化
採用一般常規的真空浸漬環氧樹脂對完成繞制的超導磁體繞組進行固化處理，使繞組中超導線材形成一個整體；
步驟9，冷卻層一、冷卻層二與制冷機相連。
所述的將冷卻層一、冷卻層二的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
一種超導線圈的直接冷卻方法，使用不能線徑且線圈厚度較厚的NbTi繞組，其特徵在於，在骨架上由內至外依次設置繞組一、細銅線一、冷卻層一、繞組二、細銅線二、冷卻層二、繞組三，包括以下步驟：
步驟1，繞組一繞制
按照一般常規方法進行繞組一的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟2，細銅線一繞制
按照一般常規方法進行細銅線一的繞制，填滿繞組一外側超導線之間的間隙，並保持細銅線一外側的平整，繞制過程中細銅線一的出入端可錫焊在細銅線一本體上；
步驟3，冷卻層一繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線一上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟4，繞組二繞制
按照一般常規方法進行繞組二的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟5，細銅線二繞制
按照一般常規方法進行細銅線二的繞制，填滿繞組二外側超導線之間的間隙，並保持細銅線二外側的平整，繞制過程中細銅線二的出入端可錫焊在細銅線本體上；
步驟6，冷卻層二繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線二上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟7，繞組三繞制
按照一般常規方法進行繞組三的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟8，繞組熱處理
根據線材需要的熱處理要求，對已經完成繞制的超導磁體繞組進行熱處理；
步驟9，繞組固化
採用一般常規的真空浸漬環氧樹脂對繞組進行固化處理，使繞組中超導線材形成一個整體；
步驟10，冷卻層一、冷卻層二與制冷機相連。
所述的將冷卻層一、冷卻層二的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
所述的方法應用在制冷機直接冷卻磁體中，尤其是超導線圈厚度較厚時，用所述方法可以使線圈分層冷卻，增強線圈導冷能力，降低線圈上的溫差，維持磁體的穩定運行。
超導線圈厚度較薄時，採用制冷機直接冷卻方式對線圈進行冷卻，線圈骨架由非磁性奧氏體不鏽鋼、鋁或鈦合金製作。
在線圈繞組層間繞制細銅線和無氧銅線，細銅線用於保護下層線圈並調節冷卻層位置。
本發明的有益效果是：
在線圈繞組層間繞制細銅線和無氧銅線，細銅線用於保護下層線圈並調節冷卻層位置；可以使磁體繞組的溫度降更加均勻，增強了磁體的冷卻效果，磁體的溫度均勻性將提高，從而降低了磁體失超風險，特別是繞組較厚的磁體，由於使用了冷卻層，使磁體的降溫時間顯著減少，同時也縮短了磁體失超後再恢復的時間；用於對繞制在骨架上的超導磁體線圈進行直接冷卻，通過運用本發明提出的方法，改善線圈與線圈及骨架間的傳熱條件，降低線圈內溫差和線圈的溫升。
附圖說明
圖1是本發明超導繞組結構剖視圖。
圖2是本發明超導繞組結構側視圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。
參見圖1、2，一種超導磁體的冷卻方法，線圈骨架由非磁性奧氏體不鏽鋼製作，利用細銅線和矩形銅線在線圈層間鋪設冷卻層；包括有骨架8，骨架8從內到外依次繞制有：繞組一1、細銅線一2、冷卻層一3、繞組二4、細銅線二5、冷卻層二6、繞組三7；冷卻層一3和冷卻層二6的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
所述的骨架1採用非磁性奧氏體不鏽鋼製作。
所述的冷卻層一3、冷卻層二6矩形銅線繞制。
所述的冷卻層一3採用矩形無氧銅線。
所述的骨架兩側設有槽口9。
冷卻層二6採用矩形無氧銅線。
所述的繞組三7外浸漬環氧樹脂。
超導線圈厚度較薄時，採用制冷機直接冷卻方式對線圈進行冷卻，線圈骨架由非磁性奧氏體不鏽鋼、鋁或鈦合金製作。
在線圈繞組層間繞制細銅線和無氧銅線，細銅線用於保護下層線圈並調節冷卻層位置。
實施例1：
一種超導線圈的直接冷卻方法，對於不需要熱處理的超導繞組，如NbTi繞組，骨架上從內到外依次設置有繞組一1、細銅線一2、冷卻層一3、繞組二4、細銅線二5、冷卻層二6、繞組三7，包括如下步驟：
步驟1，繞組一1繞制
按照一般常規方法繞制繞組一1，繞制過程中超導線材的出入端從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟2，細銅線一2繞制
按照一般常規方法進行細銅線的繞制，填滿繞組一1外側超導線之間的間隙，並保持細銅線一2外側的平整，繞制過程中細銅線一2的出入端錫焊在細銅線本體上；
步驟3，冷卻層一3繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線一2上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟4，繞組二4繞制
按照一般常規方法進行繞組二4的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟5，細銅線二5繞制
按照一般常規方法進行細銅線二5的繞制，填滿繞組二4外側超導線之間的間隙，並保持細銅線二5外側的平整，繞制過程中細銅線二5的出入端可錫焊在細銅線本體上；
步驟6，冷卻層二6繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線二5上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形無氧銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟7，繞組三7繞制
按照一般常規方法進行繞組三7的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟8，繞組固化
採用一般常規的真空浸漬環氧樹脂對完成繞制的超導磁體繞組進行固化處理，使繞組中超導線材形成一個整體；
步驟9，冷卻層一3、冷卻層二6與制冷機相連。
將冷卻層一3、冷卻層二6的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
實施例2：
本繞組是使用不變線徑且線圈厚度較厚的NbTi繞組，其步驟如下：
一種超導線圈的直接冷卻方法，使用不變線徑且線圈厚度較厚的NbTi繞組，如Nb3Sn、Nb3Al繞組，在骨架上由內至外依次設置繞組一1、細銅線一2、冷卻層一3、繞組二4、細銅線二5、冷卻層二6、繞組三7，包括以下步驟：
步驟1，繞組一1繞制
按照一般常規方法進行繞組一1的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟2，細銅線一2繞制
按照一般常規方法進行細銅線一2的繞制，填滿繞組一1外側超導線之間的間隙，並保持細銅線一2外側的平整，繞制過程中細銅線一2的出入端可錫焊在細銅線一2本體上；
步驟3，冷卻層一3繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線一2上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟4，繞組二4繞制
按照一般常規方法進行繞組二4的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟5，細銅線二5繞制
按照一般常規方法進行細銅線二5的繞制，填滿繞組二4外側超導線之間的間隙，並保持細銅線二5外側的平整，繞制過程中細銅線二5的出入端可錫焊在細銅線本體上；
步驟6，冷卻層二6繞制
將矩形無氧銅線按照一般常規方法繞制在細銅線二5上，繞制一層或兩層，保持外側平整，矩形銅線的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定在骨架上；
步驟7，繞組三7繞制
按照一般常規方法進行繞組三7的繞制，繞制過程中超導線材的出入端可從骨架兩側的槽口引出並固定；
步驟8，繞組熱處理
根據線材需要的熱處理要求，對已經完成繞制的超導磁體繞組進行熱處理；
步驟9，繞組固化
採用一般常規的真空浸漬環氧樹脂對繞組進行固化處理，使繞組中超導線材形成一個整體；
步驟10，冷卻層一3、冷卻層二6與制冷機相連。
將冷卻層一3、冷卻層二6的接頭固定並與制冷機的二級冷頭相連接。
本次設計為制冷機直接冷卻磁體，採用不鏽鋼作為骨架材料，對通過以上步驟完成的繞組進行安裝，完成繞組的製造。通過以上步驟，增強了繞組間的導熱，繞組的溫度均勻性顯著提高，顯著減少了磁體的降溫時間。
對於不需要熱處理的超導繞組，只需減少上述步驟8即可。