CN108630377B - 多箱式超导磁体低温容器***及方法 - Google Patents

多箱式超导磁体低温容器***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多箱式超导磁体低温容器***及方法，包括超导磁体低温容器***，位于超导磁体低温容器***内的容器C出口通过管路和阀门22F与位于超导磁体低温容器***外的容器B进口连通，容器B出口通过阀门F21与位于超导磁体低温容器***内的容器C进口连通且容器B内设有冷头1热交换器，容器B通过管路和阀门F1与容器A出口连通。优点：一是位于超导磁体低温容器***内的容器C无需高耐压能力，就能与位于超导磁体低温容器***外的容器B实现所设定极低温度下的动态运行，不仅确保了超导磁体的正常工作，而且极大地降低了制造成本；二是冷却速度快，既使发生短时间停电，也能够保证超导磁体工作所需的低温环境。

Description

多箱式超导磁体低温容器***及方法
技术领域
本发明涉及一种既能降低超导磁体低温容器***内极低温低压容器承压压力，又能保持超导磁体低温容器***内极低温，同时又能大幅度地降低制造成本的多箱式超导磁体低温容器***及方法。
背景技术
超导磁体目前已被广泛用于如磁共振设备及其他需要稳定，高磁场强度领域中。由超导材料制成的线圈当通过大电流产生强大磁场，并通过超导材料特性的电流闭环技术手段，当外加电流逐渐移除后，超导线圈维持其运行电流并持久保持不变，因而超导磁体产生的磁场非常稳定。
为了能使超导磁体无电阻态工作，必须提供低于超导材料临界温度以下的低温环境（通常如铌钛超导线圈，4-10°K），超导材料只有在环境温度低于材料的临界温度条件下，才能展示其无电阻特性。
通常的方法提供低温环境方法是使用低温液体直接注入到低温容器，把超导磁体浸泡在低温液体中浸泡，例如使用液氦注入到超导磁体的液氦容器。通过专业设计，能够使超导磁体和低温容器维持在所需的低温环境，但浸泡式超导型磁体***需要使用和浪费大量的低温液体，在使用上不经济。图2为普通超导磁体及低温容器的示意图。如图2所示，该装置包括超导线圈，线圈骨架，低温容器罐，冷屏，真空罐及维持低温环境的制冷压缩机冷头。
另外一种对超导磁体冷却并维持其工作的低温环境是利用低温冷头直接闭环冷却制冷，其原理与电冰箱制冷过程相似。图3为冷头直接制冷方法的示意图。但此方法冷却效率低，整个制冷、冷却过程需要很长时间，而且短时间停电或制冷压缩机维护需要而停止制冷机时，制冷冷头无法提供超导磁体需要的制冷量，引起超导磁体失超。
图4为一种降低液氦使用量并避免短时间停电引起的超导磁体失超的方法。它是使用封闭传导冷却原理，在低温容器内制冷、液化、储存少量的低温液体，利用低温液体在与超导线圈相接触的载体（管道）内流动，吸收周围环境的能量，通过低温液体的挥发而降低超导磁体的工作环境温度，然后通过制冷冷头对挥发的低温气体循环液化。由于气体从常温汽相冷却到低温液相的体积变化非常大，如低温液氦挥发膨胀到室温氦气，其体积约膨1000倍。因此，对于封闭式传导冷却超导磁体，为了产生超导磁体运行的低温液体量，在常温情况时，储存的室温气体体积非常大，换句话来说，必须以几十个大气压的高压压缩气体储存以减少对气体容器体积的要求，因此对压缩气体容器的要求耐压能力非常高，制造成本也比较高。
发明内容
设计目的：避免背景技术中的不足之处，设计一种既能降低超导磁体低温容器***内极低温低压容器承压压力，又能保持超导磁体低温容器***内极低温，同时又能大幅度地降低制造成本及实现超导磁体低温容器***非高压运行的多箱式超导磁体低温容器***及方法。
设计方案：为了实现上述设计目的。本发明提供一种经济的提供超导磁体低温冷却及低温运行***。该***包括：至少有一个高压气体室温储存容器；至少有一个中低压，低温气体储存大容器，中低压，低温气体容器至少有一个单阶制冷***及冷头，可以是相同的二级冷头；超导磁体低温容器******，其将超导磁体容纳与其中；超导磁体低温容器******二级制冷***至少有一个低压，低温液体储存容器，连接容器之间的管路，连接容器之间的管路的控制阀门，容器内部的管路，容器内部管路的控制阀门；两个冷头同时工作时，提供快速冷却方法；两个冷头可独立工作；当超导磁体正常运行时，单级冷头可以停止或移除。当超导磁体冷头需要维护，更换时，可以用另一个冷头替代工作。
1、位于超导磁体低温容器***内的容器C与位于超导磁体低温容器***外的容器B之间通过进出阀门及管路连通的设计，是本发明的技术特征之一。这样设计的目的在于：一是当位于超导磁体低温容器***内的容器C与位于超导磁体低温容器***外的容器B之间通过进出阀门管路连通时，位于超导磁体低温容器***内的容器C内的流体氦与位于超导磁体低温容器***外的容器B内的流体氦无论是设定的低温气态氦、还是液态氦、还是气液临界态，都是处于一个动态平衡体，既使发生短时间停电，也能够保证超导磁体工作所需的低温环境。具体体现在：当容器C内的流体氦发生挥发性流体时，其挥发性流体氦体积膨胀、压力升高只有通过管路和阀门进入容器B内，由于容器B内设有一个或多个冷头（原理内似冰箱制冷），该冷头将挥发性流体氦进行冷却，使之恢复到事先设定的低温状态，然后通过管路和阀门进入容器C内，如此循环，从而确保超导磁体低温容器***处于事先设定的低温状态；二是由于位于超导磁体低温容器***内的容器C由耐超高压容器变化非超高压容器，不仅极大地降低了制造成，而且确保了超导磁体低温容器***在任何情况下都处于安全性、可靠性状态。
2、容器B与容器A通过管路和阀门F1连通的设计，是本发明的技术特征之二。这样设计的目的在于：由于容器A储存的是常温高压流体（气体），其压力大于容器B，因此当容器B中的流体发生流失情况时，其容器A中的流体将通过管路和阀门自动补充到容器B内，从而使由容器B和容器C构成的冷却循环***始终于设定的数据范围内，确保其正常工作。3、位于超导磁体低温容器***内的容器C与位于超导磁体低温容器***外的容器B之间管路中串接进出阀门的设计，是本发明的技术特征之三。这样设计的目的在于：当超导磁体容器、冷头需要维护，更换时，通过对阀门的控制，即方便地实施开对超导磁体容器、冷头的检测及维护。
技术方案1：一种多箱式超导磁体低温容器***，包括超导磁体低温容器***，位于超导磁体低温容器***内的容器C出口通过管路和阀门22F与位于超导磁体低温容器***外的容器B进口连通，容器B出口通过阀门F21与位于超导磁体低温容器***内的容器C进口连通且容器B内设有冷头1热交换器，容器B通过管路和阀门F1与容器A出口连通。
技术方案2：一种多箱式超导磁体低温容器***的冷却方法，容器C是保持低温的低温磁体运行环境，允许是低压低温气体（或）和低压低温液体； 当超导磁体正常运行时，单级冷头可以停止或移除，当超导磁体冷头需要维护或更换时，可以用另一个冷头替代工作；当超导磁体低温容器***内的容器C低温液氦挥发膨胀时，挥发气体通过管路和阀门F22进入容器B，位于容器B内的冷头1对进入其内的挥发气体冷却，使之降至气液零界点或液态后再由通过管路和阀门F21进入容器C内，从而达到设定的动态低温平衡状态；当容器B和容器C中的动态流体压力不足时，通过容器A给容器B补充。
本发明与背景技术相比，一是位于超导磁体低温容器***内的容器C无需高耐压能力，容器C压力承受要求大大降低，就能与位于超导磁体低温容器***外的容器B实现所设定极低温度下的动态运行，不仅确保了超导磁体的正常工作，而且极大地降低了制造成本；二是冷却速度快，利用容器B-C之间的F21,F22阀门外接口，可以对容器C使用液氮内的物件快速预冷和冷却，既使发生短时间停电，也能够保证超导磁体工作所需的低温环境。
附图说明
图1是多箱式超导磁体低温容器***的示意图。
图2是浸泡式超导磁体***结构示意图，其中1主线圈，2屏蔽线圈，3线圈骨架，4液氦容器，5冷屏，6真空层，7冷头、液化。
图3是封闭式传导冷却超导磁体***结构示意图，其中1主线圈，2屏蔽线圈，3线圈骨架，4冷屏，5真空层，6冷头、液化。
图4是另一种封闭式传导冷却超导磁体***结构示意图，其中1主线圈，2屏蔽线圈，3线圈骨架，4冷屏，5真空层，6冷头、液化，7压缩气体储存罐，8液体气体储存罐。
实施方式
实施例1：参照附图1。一种多箱式超导磁体低温容器***，包括超导磁体低温容器***，位于超导磁体低温容器***内的容器C出口通过管路和阀门22F与位于超导磁体低温容器***外的容器B进口连通，容器B出口通过阀门F21与位于超导磁体低温容器***内的容器C进口连通且容器B内设有冷头1热交换器，容器B通过管路和阀门F1与容器A出口连通。容器A是常温厚壁压力容器。容器B为储存泄压容器。容器B是容器C的外挂容器，容器C为极低温低压容器。
容器A可以是普通的低成本的常温厚壁压力容器，例如常温高压钢瓶。
容器B是容器C的外挂容器， 也可以分离。当容器C的低温液体需要汽化(通常体积会增加），气体向容器B转移，帮助容器C泄压。
容器C是保持低温的低温磁体运行环境，允许是低压低温气体（或）和低压低温液体.例如低温气氦（～4.2-10°K）和液氦（～4.2°K）。
实施例2：在实施例1的基础上，容器B出口与容器C进口有多条通过各自阀门F21的管路。
实施例3：在实施例1的基础上，容器B内设有多个冷头1热交换器。
实施例4：在实施例1的基础上，超导磁体低温容器***内有一个或多个冷头2热交换器。
实施例5：在上述任一实施例的基础上，一种多箱式超导磁体低温容器***的冷却方法，容器C是保持低温的低温磁体运行环境，允许是低压低温气体（或）和低压低温液体；当超导磁体正常运行时，单级冷头可以停止或移除，当超导磁体冷头需要维护或更换时，可以用另一个冷头替代工作；当超导磁体低温容器***内的容器C低温液氦挥发膨胀时，挥发气体通过管路和阀门F22进入容器B，位于容器B内的冷头1对进入其内的挥发气体冷却，使之降至气液零界点或液态后再由通过管路和阀门F21进入容器C内，从而达到设定的动态低温平衡状态；当容器B和容器C中的动态流体压力不足时，通过容器A给容器B补充。
需要理解到的是：虽然上述已经结合附图描述了本发明的具体实施例，但是本领域技术人员可以理解在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明作出各种改变、变形和等效替代。因此，要认识到，这些改变、修改和等效替代都意为落入随附的权利要求所限定的精神和范围之内。

Claims (7)

1.一种多箱式超导磁体低温容器***，包括超导磁体低温容器***，其特征是：位于超导磁体低温容器***内的容器C出口通过管路和阀门F22与位于超导磁体低温容器***外的容器B进口连通，容器B出口通过阀门F21与位于超导磁体低温容器***内的容器C进口连通且容器B内设有冷头1热交换器，容器B通过管路和阀门F1与容器A出口连通；超导磁体低温容器***的容器C内有一个或多个冷头2热交换器；其冷却方法：容器C是保持低温的低温磁体运行环境，允许是低压低温气体和/或低压低温液体； 当超导磁体正常运行时，单级冷头可以停止或移除，当超导磁体冷头需要维护或更换时，可以用另一个冷头替代工作；当超导磁体低温容器***内的容器C低温液氦挥发膨胀时，挥发气体通过管路和阀门F22进入容器B，位于容器B内的冷头1对进入其内的挥发气体冷却，使之降至气液零界点或液态后再由通过管路和阀门F21进入容器C内，从而达到设定的动态低温平衡状态；当容器B和容器C中的动态流体压力不足时，通过容器A给容器B补充，降低超导磁体低温容器***内极低温低压容器承压压力，保持超导磁体低温容器***内极低温，大幅度地降低制造成本，实现超导磁体低温容器***非高压运行。
2.根据权利要求1所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器A是常温厚壁耐高压力容器。
3.根据权利要求1所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器B为气体储存及泄压容器。
4.根据权利要求1或3所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器B是容器C的外挂容器。
5.根据权利要求1所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器C为极低温低压容器。
6.根据权利要求1所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器B出口与容器C进口有多条通过各自阀门F21的管路。
7.根据权利要求1所述的多箱式超导磁体低温容器***，其特征是：容器B内设有一个或多个冷头1热交换器。
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