磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統的製作方法

2023-05-23 12:21:36 2

專利名稱：磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種提供磁場的系統裝置，屬於低溫工程和超導應用領域，是一種
磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，使用傳導冷卻高溫超導磁體，提供磁場，促 進磁約束等離子體推進器的研究。
背景技術：
目前，化學火箭雖仍將是從地面進入軌道的優良工具，但是其載荷很大，不適 合深空探測。隨著人類對深空不斷探索的需求，發展新型火箭已成為必然。新型火箭推 進技術之一電推進具有很高的比衝，小載荷，適合空間推進任務。目前，性能較好的液 氫液氧推進劑所能達到的比衝約為400s，磁約束等離子體推進器比衝可達30000s，比衝 可變，從而通過比衝與推力的優化實現火箭飛行軌跡的優化，進而優化飛行時間。例如 飛到火星，化學火箭需十個月，而磁約束等離子體推進器只需四個多月。
磁約束等離子體推進器磁場系統可以利用低溫超導磁體提供磁場，低溫超導磁 體是用液氦進行冷卻的。由於使用液氦進行冷卻，使得超導磁體的結構比較複雜，在運 行過程中要不斷的補充液氦，還要相應的氦氣回收系統，致使操作比較繁瑣，運行一次 成本也較高。美國在可變比衝磁等離子體火箭實驗研究中利用的是液氮冷卻的銅線圈提 供磁場，整個磁場系統較大，較重。 高溫超導體臨界溫度達到了液氮溫區，人們也將具有陶瓷特性的高溫超導體制 成了具有一定彎曲能力的導線。高溫超導材料由於臨界溫度高，具有很好的應用前景， 比如高溫超導變壓器、高溫超導電機、高溫超導儲能磁體、超導限流器、超導輸電電纜 等等。在這裡，將高溫超導帶材繞制的高溫超導磁體用在了磁約束等離子體推進器磁場 系統中，使用制冷機傳導冷卻。磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統利用高溫超導 磁體提供磁場，採用一個制冷機傳導冷卻兩個高溫超導磁體，整體機構上會緊湊，重量 也會減輕，運行只要有電就行。 由於小型制冷機技術的突破和高溫超導電流引線的出現，近十年來傳導冷卻超 導磁體技術得到了快速發展，目前在很多應用領域，傳導冷卻磁體已經或正在取代浸泡 冷卻磁體。 隨著超導技術和製冷技術的發展的需求，結構簡單、操作簡便、由制冷機進行 冷卻的超導磁體技術日益受到關注。直接冷卻不同於低溫液體冷卻模式的特點在於它 省去了低溫液體冷卻方式中龐大的低溫系統與設備，同時消除了低溫液體蒸發所帶來的 危險，而且可以將磁體降溫到77K以下，提高磁體的臨界電流來實現高磁場，從而使超 導低溫系統緊湊、高效、安全、方便，有利於實現超導器件與低溫裝置一體化，是高溫 超導技術的發展方向。

發明內容
本發明的目的是提供一種磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，促進磁約束等離子體推進器的研究。本發明利用傳導冷卻的方式替代低溫液體冷卻，使用一個制 冷機傳導冷卻兩個超導磁體，極大簡化了結構，實現了高真空，解脫了對液氦的依賴和 高成本運行。 本發明的技術方案如下 磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，包括有兩個磁鏡單元兩個磁鏡單 元結構相同，每一個磁鏡單元均包括杜瓦筒體和兩個高溫超導磁體，所述杜瓦筒體具有 一中空的環形筒體，環形筒體中部上方還連接有一個圓柱形筒體，環形筒體中間為室溫 孔；所有杜瓦筒體中固定安裝有環筒形狀的銅冷屏，銅冷屏內左、右兩側分別安裝有高 溫超導磁體；環形筒體外側有端蓋，銅冷屏兩端安裝有銅冷屏側蓋，杜瓦筒體中間的圓 柱形筒體有上蓋法蘭，其內部銅冷屏安裝有銅冷屏上蓋；圓柱形筒體的上蓋法蘭與其內 部的銅冷屏上蓋上均設有安裝制冷機的接口，制冷機冷頭通過所述的接口安裝於圓柱形 筒體內；除了圓柱形筒體的上蓋法蘭與圓柱形筒體上端是採用螺栓連接，端蓋與杜瓦筒 體之間、杜瓦筒體的環形筒體與圓柱形筒體之間的結合部均採用焊接相連；銅冷屏側蓋 和與側蓋最近的環形筒體端蓋之間安裝有端蓋支撐杆，端蓋支撐杆一端連接超導磁體， 杜瓦筒體與銅冷屏筒體之間安裝有筒體支撐杆，筒體支撐杆一端連接超導磁體；中間圓 柱形筒體上有真空抽口，杜瓦筒體上蓋法蘭上安裝有測量接口、電流引線接口，杜瓦筒 體中處於真空狀態，制冷機冷頭與超導磁體之間採用軟無氧銅導冷辮連接；銅電流引線 與高溫超導磁體連接，再將高溫超導電流引線與銅電流引線連接，安裝於冷屏上蓋上的 電流引線接口內的銅電流外引線在經過熱沉後連接到高溫超導電流引線。
所述的高溫超導磁體系統由兩個磁鏡單元組成，每一個磁鏡單元中均使用一個 制冷機冷卻兩個高溫超導磁體。 所述的放置制冷機的圓柱形筒體上蓋法蘭與圓柱形筒體之間有彈性減震墊片。
所述的圓柱形筒體上蓋法蘭與杜瓦筒體材料是不鏽鋼、鋁合金和鈦合金。
所述的高溫超導磁體是由稀土 -鋇銅氧或鉍鍶鈣銅氧帶繞制而成。
所述的端蓋支撐杆、筒體支撐杆均採用環氧玻璃鋼材料。
所述的室溫孔為同心室溫孔。 所述的銅冷屏殼體外壁和銅冷屏上蓋上開有條形槽，銅冷屏外壁附有絕熱材 料；高溫超導磁體內、外壁均附有絕熱材料。 所述高溫超導電流引線採用銅-高溫超導體-銅二元複合結構。
本發明的優點在於 本發明利用傳導冷卻的方式替代低溫液體冷卻，使用一個制冷機傳導冷卻兩個 超導磁體，極大簡化了結構，實現了高真空，解脫了對液氦的依賴和高成本運行。它省 去了低溫液體冷卻方式中龐大的低溫系統與設備，同時消除了低溫液體蒸發所帶來的危 險，而且可以將磁體降溫到77K以下，提高磁體的臨界電流來實現高磁場，從而使超導 低溫系統緊湊、高效、安全、方便，有利於實現超導器件與低溫裝置一體化。


圖1為本發明結構示意圖。 圖2為本發明中一個磁鏡單元的結構示意圖。
具體實施例方式參見圖1、 2 : 磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，包括有兩個磁鏡單元，其結構相同。就其中一個磁鏡單元描述，包括有杜瓦筒體4，而其中環形筒體中間為同心室溫孔10，杜瓦筒體4中安裝有環筒形狀的銅冷屏6。上蓋法蘭ll上安裝有制冷機l。放置超導磁體的杜瓦筒體端蓋8、內部冷屏蓋9之間安裝有環氧玻璃鋼支撐杆13，支撐杆13左端連接超導磁體12。杜瓦筒體與超導磁體間裝有環氧玻璃鋼支撐杆14、 15，環氧玻璃鋼支撐杆14是為了前後限位而用，環氧玻璃鋼支撐杆15起到主要支撐超導磁體的作用。杜瓦筒體4上有真空抽口 16，上蓋法蘭11上有測量引線接口2、電流引線接口17，杜瓦筒體4上端用螺栓3安裝到上蓋法蘭11上。銅電流外引線18在冷屏上蓋5上經過熱沉後連接到高溫超導電流引線19，銅電流引線21再將高溫超導電流引線19與高溫超導磁體12連接起來。用軟無氧銅導冷辮20將二級冷頭下端的銅片和冷卻高溫超導磁體的導冷銅棒7相連接。環繞超導磁體的銅冷屏外壁上開有若干個條形槽；銅冷屏外壁絕熱材料在80-100層，包絕熱層前先將吸附劑緊貼冷屏表面；銅冷屏內表面拋光。
電流引線接口 17與上蓋法蘭11之間採用威爾遜密封。 本發明的電流引線採用銅-高溫超導體-銅二元複合結構，引線中間接頭在冷屏處(80K)和二級冷頭處(20K)各熱沉一次，從而引線向二級冷頭以及電流引線向超導磁體的漏熱可以做到比氣冷弓I線低的多的水平。 環繞超導磁體的銅冷屏殼體整體開一貫穿整個上半部的槽，以減少勵磁以及運行時電流變化引起的磁場變化，從而產生的渦流電流，並在磁場集中分布的內壁圓周均布若干個槽，阻斷大的渦流電流以及局部渦流，從而減少渦流熱。 銅冷屏外壁絕熱材料在80-100層之間，包絕熱層前先將吸附劑緊貼冷屏表面，並防止熱短路現象。 銅冷屏內表面(向低溫區熱輻射面)拋光，以減少輻射傳熱，保證磁體的溫度，防止超導線圈失超。 高溫超導磁體內外包絕熱材料在40-80層。 雖然可以利用制冷機不斷的運行來對超導磁體系統降溫以保持磁體的運行溫度，但是這種制冷機傳導冷卻的磁體處在真空環境中，由於擾動或磁體勵磁時的交流損耗都容易使磁體的溫度升高，若擾動較大或勵磁速度過快，磁體就很容易失超。本發明採用軟無氧銅導冷辮，實現冷頭與磁體之間的軟連接，減少制冷機震動引起的磁體震動從而引起的磁體產熱和溫度升高。 在電流引線和銅冷屏、二級冷頭之間實現熱沉時，連接處墊氮化鋁陶瓷墊片，即起到電絕緣作用，又有良好的熱導。 外真空杜瓦各焊接處均採用氬弧焊，並做後續清理，不僅滿足真空要求，還要滿足強度要求。 環氧玻璃鋼支撐杆本身導熱效果差，並在銅冷屏處實現一次熱沉，其兩端是雙旋向螺紋，可省去螺栓緊固，減少低溫部分的熱容，減少預冷時間，並且使結構簡單，緊密性高。
制冷機接口，螺栓連接的螺紋孔不貫穿上蓋法蘭，以及圓形密封圈，以保證高真空要求，並且在制冷機與上蓋法蘭間加橡皮墊片，減少震動向杜瓦整體的傳遞，減少震動噪聲，從而減少磁體震動引起的線圈渦流熱。 本發明的杜瓦筒體上設有真空抽口，抽真空時連接真空閥，抽好真空後，用雙O型圈密封塊堵住真空抽口，可卸下真空閥門，方便實用。
法蘭的連接件基本採用焊接連接方式。 系統安裝時，按材料的低溫下形變，留有餘量，以保證在低溫變形以後，仍保證各連接件連接強度、導熱或絕熱要求。 按照設計的位置和角度安裝杜瓦的支撐部分，以保證杜瓦的形變、應力以及導熱和漏熱滿足設計要求。 若拆卸時需進行切割，儘量避免螺紋的破損，每次更換密封圈和導熱器件，以保證重複利用的時候，達到好的效果。
權利要求
磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，包括有兩個磁鏡單元，其特徵在於兩個磁鏡單元結構相同，每一個磁鏡單元均包括杜瓦筒體和兩個高溫超導磁體，所述杜瓦筒體具有一中空的環形筒體，環形筒體中部上方還連接有一個圓柱形筒體，環形筒體中間為室溫孔；所有杜瓦筒體中固定安裝有環筒形狀的銅冷屏，銅冷屏內左、右兩側分別安裝有高溫超導磁體；環形筒體外側有端蓋，銅冷屏兩端安裝有銅冷屏側蓋，杜瓦筒體中間的圓柱形筒體有上蓋法蘭，其內部銅冷屏安裝有銅冷屏上蓋；圓柱形筒體的上蓋法蘭與其內部的銅冷屏上蓋上均設有安裝制冷機的接口，制冷機冷頭通過所述的接口安裝於圓柱形筒體內；除了圓柱形筒體的上蓋法蘭與圓柱形筒體上端是採用螺栓連接，端蓋與杜瓦筒體之間、杜瓦筒體的環形筒體與圓柱形筒體之間的結合部均採用焊接相連；銅冷屏側蓋和與側蓋最近的環形筒體端蓋之間安裝有端蓋支撐杆，端蓋支撐杆一端連接超導磁體，杜瓦筒體與銅冷屏筒體之間安裝有筒體支撐杆，筒體支撐杆一端連接超導磁體；中間圓柱形筒體上有真空抽口，杜瓦筒體上蓋法蘭上安裝有測量接口、電流引線接口，杜瓦筒體中處於真空狀態，制冷機冷頭與超導磁體之間採用軟無氧銅導冷辮連接；銅電流引線與高溫超導磁體連接，再將高溫超導電流引線與銅電流引線連接，安裝於冷屏上蓋上的電流引線接口內的銅電流外引線在經過熱沉後連接到高溫超導電流引線。
2. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的高溫超導磁體系統由兩個磁鏡單元組成，每一個磁鏡單元中均使用一個制冷機冷卻兩個高溫超導磁體。
3. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的放置制冷機的圓柱形筒體上蓋法蘭與圓柱形筒體之間有彈性減震墊片。
4. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的圓柱形筒體上蓋法蘭與杜瓦筒體材料是不鏽鋼、鋁合金和鈦合金。
5. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的高溫超導磁體是由稀土-鋇銅氧或鉍鍶鈣銅氧帶繞制而成。
6. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的端蓋支撐杆、筒體支撐杆均採用環氧玻璃鋼材料。
7. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的室溫孔為同心室溫孔。
8. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述的銅冷屏殼體外壁和銅冷屏上蓋上開有條形槽，銅冷屏外壁附有絕熱材料；高溫超導磁體內、外壁均附有絕熱材料。
9. 根據權利要求1所述的磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，其特徵在於所述高溫超導電流引線採用銅-高溫超導體-銅二元複合結構。
全文摘要
本發明公開了一種磁約束等離子體推進器高溫超導磁體系統，包括有兩個磁鏡單元，兩個磁鏡單元結構相同，每一個磁鏡單元均包括杜瓦筒體和兩個高溫超導磁體，每一個磁鏡單元中均使用一個制冷機冷卻兩個高溫超導磁體。本發明利用傳導冷卻的方式替代低溫液體冷卻，使用一個制冷機傳導冷卻兩個超導磁體，極大簡化了結構，實現了高真空，解脫了對液氦的依賴和高成本運行。它省去了低溫液體冷卻方式中龐大的低溫系統與設備，同時消除了低溫液體蒸發所帶來的危險，而且可以將磁體降溫到77K以下，提高磁體的臨界電流來實現高磁場，從而使超導低溫系統緊湊、高效、安全、方便，有利於實現超導器件與低溫裝置一體化。
文檔編號H05H11/00GK101692368SQ20091018513
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者周超, 汪良斌, 黃廷慶 申請人:中國科學院等離子體物理研究所