CN109036758B

CN109036758B - 一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构

Info

Publication number: CN109036758B
Application number: CN201810777447.8A
Authority: CN
Inventors: 刘华军; 郭亮; 马红军; 刘方; 施毅; 于敏
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2038-07-16
Also published as: CN109036758A

Abstract

本发明公开了一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，采用导冷板，导冷柱，导冷杆的结构进行导冷，能够保证足够的有效导冷面积，使得高温超导磁体上任意两点的温差不大于0.3K。采用C型结构的导冷板连接制冷机和磁体，大胆地突破了通常使用铜辫柔性连接的做法。使用C型结构的导冷板，不但有效的增大冷量传导面积，而且加工制造方便、简单。同时，也考虑了该柔性结构能够吸收磁体及导冷板的热收缩产生的相对位移。由于制冷机水平放置会导致冷量损失，该设计很好地解决制冷机竖直放置和高温超导磁体水平放置连接问题，且能够保证高温超导磁体运行温度满足使用要求。

Description

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构

技术领域：

本发明涉及高温超导技术领域，具体涉及一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其设计导冷结构能够满足水平放置的高温超导磁体整体冷却，可保证高温超导磁体温度最高不超过30K（稳态时）。

背景技术：

随着高温超导带材生产工艺的发展，高温超导带材所制成的超导磁体凭借磁场强度高、低运行费用、安全可靠等优势以广泛应用于电力运输、磁选等行业。

高温超导磁体是在低温环境下正常运行，需要一套低温***来维持磁体的正常工作。当前，对于中小型高温超导磁体多选用制冷机进行传导冷却，这是因为这种制冷方式具有高效、结构紧凑、且安装位置灵活等特点。

但是现有技术中的中小型高温超导磁体与制冷机之间通过使用铜辫柔性连接，需要将制冷机水平放置，但是制冷机水平放置会导致冷量损失。因此，急需找到一种可以很好地解决制冷机竖直放置和高温超导磁体水平放置连接问题。

发明内容：

本发明提供了一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，适用于水平放置的高温超导磁体整体冷却，可保证高温超导磁体温度最高不超过30K（稳态时）。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：包括有上、下不锈钢固定法兰，上、下不锈钢固定法兰的内侧均设有上、下无氧铜导冷端板，上、下无氧铜导冷端板之间设有若干叠装呈筒状的绝缘固化的高温超导磁体单元，每个高温超导磁体单元均包括有定位圈和导冷板，定位圈上绕制超导带后形成双饼线圈，双饼线圈通过定位圈台阶固定在导冷板后整体固化绝缘；所述上、下不锈钢固定法兰的环形边沿部位、上、下无氧铜导冷端板的环形边沿部位以及导冷板的环形边沿部位均开有环状分布且相互对应的定位孔；包括有若干环形分布并对应串接在导冷板上定位孔中的中空的导冷柱，每个导冷柱中均套装有导冷杆，每个导冷杆的两端均分别依次穿过上、下无氧铜导冷端板以及上、下不锈钢固定法兰上的定位孔并分别伸出上、下不锈钢固定法兰外，且每个导冷杆两端的伸出端均旋装有限位螺母；上、下不锈钢固定法兰之间连接有C型导冷板，C型导冷板的外表面上固定有用于安装制冷机的过渡连接导冷板。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：上、下不锈钢固定法兰的外端面上均安装有吊杆连接块。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：所述双饼线圈定位圈均为黄铜制成的双饼线圈定位圈，双饼线圈定位圈两端分别设有内、外台阶，所述双饼线圈定位圈外均缠绕有1~2层聚酰亚胺胶带；所述双饼线圈定位圈上设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：绝缘固化后带有双饼线圈的导冷板为无氧铜TU1制成的导冷板，导冷板厚度一般1~5mm，导冷板上均设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm；导冷板上设有豁口，且豁口弧长不小于140mm，用于放置接头铜块。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：无氧铜导冷端板的环形内壁部位设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：不锈钢固定法兰上切割有豁口，豁口宽度不小于150mm，深度不小于15mm。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：吊杆连接块角度为90°。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：所述导冷杆包括有16根，其中12根采用无氧铜TU1制成的导冷杆，4根采用不锈钢制成的导冷杆。

所述双饼线圈定位圈采用黄铜材料加工制成，这是因为黄铜具有一定的机械强度的同时，还具有良好导热性。定位圈外侧缠绕1~2层聚酰亚胺胶带，以保证定位圈的绝缘性。定位圈的内径尺寸为线圈要求尺寸、厚度一般5~8mm（根据线圈大小可调节），高度为线圈双饼和线圈导冷板高度之和。为了预防变化的磁场引起的涡流产生的欧姆热，对定位圈进行割缝处理，缝宽1~2mm。此外，为了便于双饼线圈串联组装，定位圈两端设有内、外台阶。

缘固化后带有双饼线圈的导冷板采用无氧铜TU1制成，根据定位圈尺寸和线圈要求确定导冷板内/外径，导冷板厚度一般1~5mm(具体视情况而定)，为了预防变化的磁场引起的涡流产生的欧姆热，对导冷板进行割缝处理，缝宽1~2mm。此外，导冷板需切割一豁口，豁口内径小于线圈外径+4mm，且豁口弧长不小于140mm，以保证有足够的空间位置放置接头。

无氧铜导冷端板内外径与缘固化后带有双饼线圈的导冷板一致，厚度一般8~10mm，为了预防变化的磁场引起的涡流产生的欧姆热，对端板进行割缝处理，缝宽1~2mm。

不锈钢固定法兰内外径与缘固化后带有双饼线圈的导冷板一致，厚度一般15~20mm。所述的吊杆连接块焊接在法兰，两个吊杆连接块角度为90°。此外，法兰上切割一豁口，豁口宽度不小于150mm，深度不小于15mm，以便带有开口通孔的C型导冷板连接在无氧铜导冷端板。

导冷柱采用无氧铜TU1制成，根据导冷杆外径，确定导冷柱内径尺寸，且厚度一般不小于3mm，以保证有足够有效的冷量传递面积。

根据磁体电磁力的大小，确定导冷杆的几何尺寸及数量。根据高温超导磁体制造经验，对于最外径100~1000mm的高温超导磁体，选择16根φ12mm的导冷杆即可满足使用要求，且导冷杆两端带有螺纹，以便添加预紧力。16根导冷杆，其中12根采用无氧铜TU1制成，4根采用不锈钢制成。无氧铜杆用于传递冷量，不锈钢杆用于保证整体磁体的结构稳定性。

带有开口通孔的C型导冷板采用无氧铜TU1制成，导冷板为C型，主要是因为磁体及导冷正常工作温度小于20K，会产生热收缩，通过C型的柔性结构，吸收因热收缩产生的相对位移，使得整体结构应力小于材料许用应力值。C型导冷板宽不小于150mm，厚度3~6mm，长度视磁体长度而定。C型导冷板两端预留开口通孔，便于和所述的导冷端板连接固定。

G-M制冷机过渡连接板，同样采用无氧铜TU1制成，形状为C型，用于连接制冷机和高温超导磁体，相比于通常使用铜辫柔性连接的做法，使用C型导冷板，可有效的增大导冷面积，且加工制造方便、简单。G-M制冷机过渡连接板，宽不低于70mm，板厚一般为2~5mm，C型平板间距不小于50mm，即可满足冷量传递要求。

本发明适用于水平放置的高温超导磁体整体冷却，可保证高温超导磁体温度最高不超过30K（稳态时）。

本发明使用双饼线圈定位圈定位的同时，也保证了冷量传递的一条通道。此外，采用导冷板，导冷柱，导冷杆的结构进行导冷，能够保证足够的有效导冷面积，使得高温超导磁体上任意两点的温差不大于0.3K。采用C型结构的导冷板连接制冷机和磁体，大胆地突破了通常使用铜辫柔性连接的做法。使用C型结构的导冷板，不但有效的增大冷量传导面积，而且加工制造方便、简单。同时，也考虑了该柔性结构能够吸收磁体及导冷板的热收缩产生的相对位移。由于制冷机水平放置会导致冷量损失，该设计很好地解决制冷机竖直放置和高温超导磁体水平放置连接问题，且能够保证高温超导磁体运行温度满足使用要求。

本发明的优点是：

本发明采用C型结构的导冷板连接制冷机和磁体，大胆地突破了通常使用铜辫柔性连接的做法。且冷量传递不仅通过定位架，同时采用导冷板，导冷柱，导冷压杆的结构进行导冷，能够保证足够的有效导冷面积，满足超导磁体冷量需求。此外，本发明的导冷结构件具有设计简单、易加工、安装方便等优点。

附图说明：

图1为本发明的主视图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明中高温超导磁体单元的结构示意图。

具体实施方式：

参见附图。

一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，包括有上、下不锈钢固定法兰3，上、下不锈钢固定法兰3的内侧均设有上、下无氧铜导冷端板4，上、下无氧铜导冷端板4之间设有若干叠装呈筒状的绝缘固化的高温超导磁体单元，每个高温超导磁体单元均包括有定位圈6和导冷板7，定位圈上绕制超导带11后形成双饼线圈，双饼线圈通过定位圈6台阶固定在导冷板7后整体固化绝缘；所述上、下不锈钢固定法兰的环形边沿部位、上、下无氧铜导冷端板的环形边沿部位以及导冷板的环形边沿部位均开有环状分布且相互对应的定位孔；包括有若干环形分布并对应串接在导冷板上定位孔中的中空的导冷柱5，每个导冷柱5中均套装有导冷杆2，每个导冷杆2的两端均分别依次穿过上、下无氧铜导冷端板以及上、下不锈钢固定法兰上的定位孔并分别伸出上、下不锈钢固定法兰外，且每个导冷杆2两端的伸出端均旋装有限位螺母；上、下不锈钢固定法兰之间连接有C型导冷板8，C型导冷板8的外表面上固定有用于安装制冷机的过渡连接导冷板9。

所述的不锈钢固定法兰3、无氧铜导冷端板4依次通过所述的多根导冷杆2（下端带有螺母）进行放置。将所述的一个绝缘固化后带有双饼线圈的导冷板7通过导冷杆2和双饼线圈定位圈6固定在无氧铜导冷端板4。选择合适高度的导冷柱5串在导冷杆上，然后，依层次放置剩余的绝缘固化后带有双饼线圈的导冷板7和导冷柱5，相邻的双饼线圈放置一0.1mm厚环氧板（形状、尺寸与线圈相同），以保证线圈之间的绝缘。最后将无氧铜导冷端板4和不锈钢固定法兰3依次通过导冷杆2进行安装，最后利用螺母将磁体整体固定。

制冷机过渡导冷连接装配，首先通过所述的G-M制冷机固定位置10将制冷机过渡连接导冷板9连接在制冷机二级冷头上（制冷机通过外杜瓦和冷屏竖直悬挂），然后将有开口通孔的C型导冷板8通过螺栓与制冷机过渡连接导冷板9连接。

将完成安装的磁体水平推入冷屏内，通过导冷杆2与开口通孔的C型导冷板8进行连接，即完成整个磁体冷量传递的导冷结构件的安装。

Claims

1.一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：包括有上、下不锈钢固定法兰，上、下不锈钢固定法兰的内侧均设有上、下无氧铜导冷端板，上、下无氧铜导冷端板之间设有若干叠装呈筒状的绝缘固化的高温超导磁体单元，每个高温超导磁体单元均包括有定位圈和导冷板，定位圈上绕制超导带后形成双饼线圈，双饼线圈通过定位圈台阶固定在导冷板后整体固化绝缘；所述上、下不锈钢固定法兰的环形边沿部位、上、下无氧铜导冷端板的环形边沿部位以及导冷板的环形边沿部位均开有环状分布且相互对应的定位孔；包括有若干环形分布并对应串接在导冷板上定位孔中的中空的导冷柱，每个导冷柱中均套装有导冷杆，每个导冷杆的两端均分别依次穿过上、下无氧铜导冷端板以及上、下不锈钢固定法兰上的定位孔并分别伸出上、下不锈钢固定法兰外，且每个导冷杆两端的伸出端均旋装有限位螺母；上、下不锈钢固定法兰之间连接有C型导冷板，C型导冷板的外表面上固定有用于安装制冷机的过渡连接导冷板;

所述双饼线圈定位圈均为黄铜制成的双饼线圈定位圈，双饼线圈定位圈两端分别设有内、外台阶，所述双饼线圈定位圈外均缠绕有1~2层聚酰亚胺胶带；所述双饼线圈定位圈上设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm。

2.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：上、下不锈钢固定法兰的外端面上均安装有吊杆连接块。

3.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：缘固化后带有双饼线圈的导冷板为无氧铜TU1制成的导冷板，导冷板厚度一般1~5mm，导冷板上均设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm；导冷板上设有豁口，且豁口弧长不小于140mm。

4.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：无氧铜导冷端板的环形内壁部位设有径向的割缝，割缝的缝宽为1~2mm。

5.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：不锈钢固定法兰上切割有豁口，豁口宽度不小于150mm，深度不小于15mm。

6.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：吊杆连接块角度为90°。

7.根据权利要求1所述的一种水平放置高温超导磁体冷量传递结构，其特征在于：所述导冷杆包括有16根，其中12根采用无氧铜TU1制成的导冷杆，4根采用不锈钢制成的导冷杆。