CN116206845B - 一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，该方法包括以下步骤：制作用于传导冷却超导磁体的无感双绕制的超导开关；励磁前用加热丝电源给无感双绕制超导开关加热丝通电，至超导开关处于断开状态；用外部励磁电源给超导磁体通电励磁，直至磁场励磁到场；加热丝电源关闭，无感双绕制超导开关温度降低至超导开关处于导通状态，实现超导磁体与超导开关“0”损耗闭环运行；本发明将传导冷却超导磁体超导开关***的导冷固定结构长度、超导开关的质量、超导开关的加热量，三者有机结合，解决了传导冷却超导磁体超导开关***的“漏热”问题，使得传导冷却***有限的制冷机的冷量得到充分利用，解决了传导冷却超导***漏热问题。

Description

一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法

技术领域

本发明属于传导冷却超导磁体技术领域，尤其涉及一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法。

背景技术

目前超导磁体发展趋向于无液氦的传导冷却超导磁体，因为液氦冷却价格不断走高，其次液氦浸泡超导磁体失超反应剧烈，存在危险；而无液氦的传导冷却超导磁体装配方便，失超无反应，无危害。

现有技术传导冷却超导磁体供电路图，如图2所示:采用外部励磁电源一直给超导磁体供电，所述一直给超导磁体供电既是：即使超导磁体励磁到场以后，也不能将外部电源移除而必须从始至终一直给超导磁体供电，因为一旦外部励磁电源移除，超导磁体恒定的电流和恒定的磁场就会被破坏，为了维持稳定的磁场，只要该***还在运行，就必须外部励磁电源一直给超导磁体供电。

为了解决外部励磁电源一直给超导磁体供电的问题、能够在超导磁体励磁到场以后能够将外部励磁电源移除，需要在外部励磁电源和超导磁体之间增加一个超导开关。当需要给超导磁体励磁时，将超导开关断开，此时外部励磁电源和超导磁体组成回路；当励磁完毕时，将超导开关导通，此时超导开关和超导磁体组成“零”电阻回路；

上述增加超导开关的方法在有液氦的超导磁体中相对容易实现，而在无液氦的传导冷却超导磁体中，采用增加超导开关的方法则难度相对很大，难点之一，无液氦传导冷却方法其制冷机的制冷量是一定的，因为制冷机的功率是一定的，功率一定就决定了制冷量是一定的，因此，传导冷却必须精打细算才能保证没有多余的损耗。而液氦制冷则不存在制冷量一定的问题，因为可以通过增大容积的方法加大制冷量。难点之二、传导冷却因为是在真空环境下，在真空环境下不能采用空气传导降温的方法、而必须采用传导降温的方法。所述传导降温方法既是制冷机通过接触制冷的方法直接给超导磁体及超导开关降温。采用制冷机接触降温的方法就会带来一系列的“漏热”问题。其中最为典型的“漏热”就是在传导冷却超导磁体的环境中增加超导开关而产生的漏热。所述“漏热”就是把“不该漏掉的热量”传递给“不该接受热量”的地方，因而使得“不该漏掉的热量”白白地被损失掉、同时“不该接受热量”的地方因为接受了“热量”而被损坏。难点之三、造成上述超导开关产生“漏热”问题的因素不是单一的因素而是多方面因素，各种因素交织在一起，相互牵连，很难找到一个平衡点。例如，超导开关和超导磁体之间的传导距离、超导开关相对于超导磁体的质量比、超导开关加热丝的加热量，这三个条件其中任何一个条件不具备都会影响另外二个条件的预期效果，即使另外二个条件已经达标也会前功尽弃。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***的实现方法，目的在于解决造成超导开关产生“漏热”问题的因素不是单一的因素而是多方面因素，各种因素交织在一起，相互牵连，很难找到一个平衡点的问题。

本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：

一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，该方法基于一种传导冷却超导磁体超导开关***，该***包括抽真空密封筒和布设在抽真空密封筒内的铝筒保温层，布设在该铝筒保温层内部的超导磁体、传导冷却板、超导开关、超导开关导冷固定结构；所述传导冷却板用于将传导冷却用制冷机的冷量传给超导磁体和超导开关，其竖直方向的一侧连接超导磁体骨架的上下两端、另一侧连接超导开关导冷固定结构；所述超导开关导冷固定结构用于超导开关和传导冷却板之间的传导冷却通道；所述超导开关为基于无感双绕法的超导开关、用于实现超导磁体与超导开关之间的“0”损耗闭环运行，其出线两端与超导磁体的超导线出线两端并联；该***还包括布设在抽真空密封筒外部的外部励磁电源、加热丝电源和集成控制柜；该外部励磁电源用于在设定条件下给所述超导磁体励磁并通过电缆与超导磁体相连接；该加热丝电源通过电缆与该加热丝连接、并在设定条件下给超导开关上的加热丝加热、使得超导开关从导通的超导状态变为断开的失超状态；该集成控制柜用于控制外部励磁电源、加热丝电源：该***还包括传导冷却用制冷机，该传导冷却用制冷机其顶部露出该抽真空密封筒以外、其底部与传导冷却板相连接；该传导冷却用制冷机用于将制冷机的冷量通过传导冷却板传递给超导磁体和超导开关，并将抽真空后的铝筒保温层内的温度从常温降低到超导温度；所述超导开关导冷固定结构包括超导开关固定座和超导开关连接件；

其特点是，该方法包括以下步骤：

步骤一、制作用于传导冷却超导磁体的无感双绕制的超导开关、以及超导开关导冷固定结构；

所述超导开关导冷固定结构的传导长度，既要兼顾超导开关加热丝加热时其加热丝产生的热量最少传递给超导磁体，也要兼顾加热丝断电时超导开关的温度能够快速回到超导温度；同时，所述超导开关的质量，既要兼顾不会因为超导开关质量过大而导致热量同步增加、同步增加的热量传递给超导磁体而破坏超导磁体的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关质量过小而在超导磁体励磁过程中产生超导开关上的分流而影响超导磁体的励磁；同时，超导开关加热丝的加热量，既要兼顾不能因为加热丝加热量过高而将该热量传递超导磁体、因而破坏超导磁体的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关加热丝加热量不足而使得超导开关阻值不够高而影响超导开关从导通到断开状态的转换。

步骤二、将无感双绕制的超导开关的2个超导线的出现端子和超导磁体的2个出线端子并联；

步骤三、将超导磁体、传导冷却板、超导开关、超导开关导冷固定结构整体放入抽真空密封筒内的铝筒保温层内；

步骤四、对超导磁体及抽真空密封筒内的铝筒保温层进行抽真空；

步骤五、运行传导冷却用制冷机给超导磁体及超导开关降温至温度降至超导线的超导温度；

步骤六、励磁前的准备：用加热丝电源给无感双绕制超导开关加热丝通电，至超导开关处于断开状态；

步骤七、励磁：用外部励磁电源给超导磁体通电励磁，直至磁场励磁到场；

步骤八、闭环运行：加热丝电源关闭，无感双绕制超导开关温度降低至超导开关处于导通状态，实现超导磁体与超导开关损耗闭环运行，所述导通状态既是超导状态；

步骤九、***关闭前降场，直至超导磁体的电流降为0，降场完成。

进一步地，所述超导开关导冷固定结构的传导长度，当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离或者超导开关导冷固定结构的传导长度控制在204-306mm，且超导开关与超导磁体温差不超过0.1K，据此推算超导开关导冷固定结构的裕度。

进一步地，所述超导开关的质量，当超导磁体漏热量为1W时，超导开关整体质量m为0.026-0.038kg。

进一步地，所述超导开关加热丝加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，典型加热量设置可以取0.02-0.03W。

进一步地，所述步骤六励磁前的准备，具体过程如下：

1)加热丝通最小电流，待超导开关温升稳定后；测试超导开关是否处于断开状态，所述断开状态既是超导开关上无感双绕制的超导线不超导；

2)如果没有断开，增加加热丝最小单位的电流，待温度稳定后继续测试超导开关上是否处于断开状态；

3)直至加热丝电流刚好使超导开关处于断开状态；这么小的调节电流是为了使超导开关处于断开状态同时对超导磁体热负载最小。

进一步地，所述步骤九的***关闭前降场，直至超导磁体的电流降为0，降场完成，具体过程如下：

1)将外部励磁电源与超导磁体用电缆线接通，加热丝电源用导线与加热丝连通；

2)给外部励磁电源升电流至升场到场时的数值，该升场到场时的数值既是当前超导磁体的电流数值；此时外部励磁电源电流不影响超导磁体与超导开关的电流回路；

3)给加热丝通电至超导开关处于断开状态，此时流经超导磁体的电流就回到外部励磁电源，超导磁体与超导开关的电流回路转变为超导磁体与励磁电源的电流回路；

4)外部励磁电源开始给超导磁体降电流，直至励磁电源电流降为0，降场完毕。

进一步地，所述的励磁既是在励磁之前，集成控制柜给超导开关加热丝通电，使超导开关超导线温度升高变为非超导状态，然后，外部电源给超导磁体励磁，当磁体励磁升场到场后，准备“0”损耗闭环运行；为使上述集成控制柜给超导开关加热丝通电时尽量少的将热量传递给超导磁体，要满足以下条件：当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离控制在204-306mm、且该超导开关的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，该长度和加热量使得超导开关加热丝加热时的热量尽量少的传给超导磁体，以免超导磁体在励磁前因被传递过多的热量而失超影响励磁，同时，超导开关整体质量m为0.026-0.038kg，使得超导磁体励磁过程中不会对超导开关产生分流。

进一步地，所述的“0”损耗闭环运行，既是停止给超导开关加热丝通电，超导开关超导线温度降低，逐渐转变为超导状态和导通状态，此时超导磁体与超导开关实现“0”损耗闭环运行、磁体励磁电源退电流后直接断开移走；为使上述停止给超导开关加热丝通电时，超导开关能够迅速实现“0”损耗闭环运行，应满足以下条件：当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离控制在204-306mm，该距离使得断电以后超导开关能够迅速恢复到超导温度，同时，当超导磁体漏热量为1W时，控制超导开关整体质量m为0.026-0.038kg、且超导开关的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，该质量和该加热量同样使得超导开关断电时能够迅速恢复超导温度，实现“0”损耗闭环运行。

本发明的优点效果

1、本发明将传导冷却超导磁体超导开关***的导冷固定结构长度、超导开关的质量、超导开关的加热量，三者有机结合：导冷固定结构的传导长度即不过长也不过短、超导开关的质量既不过高也不过低、超导开关的加热量既不过大也不过小，最终解决了传导冷却超导磁体超导开关***的“漏热”问题，使得传导冷却***有限的制冷机的冷量得到充分利用，解决了一直以来因为传导冷却超导***漏热问题得不到解决而难以推广的技术难题。

2、本发明传导冷却超导磁体采用超导开关结构，可以在磁体持续运行过程中移除外部电源，节约电源。超导磁体可以无损耗持续运行，减少因电缆线连接而造成的漏热。经测试持续闭环运行72H时磁场0损耗，持续闭环运行三天无需外部电源，节约用电。

附图说明

图1为本发明用于传导冷却超导磁体的超导开关***示意图；

图2为现有技术采用外部励磁电源一直给超导磁体供电的示意图；

图3为本发明用于传导冷却超导磁体的超导开关***原理图；

图4为本发明无感双绕制超导开关结构图；

图5为本发明用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法流程图；

图中，1：超导开关固定座；2：超导开关连接件；3：超导开关；3-1：线圈骨架；3-3：绝缘层；3-2：超导线；3-4：加热丝；4：超导磁体；5：传导冷却板；6：传导冷却用制冷机；7：抽真空密封筒；8：铝筒保温层；9.铝屏筒体外包裹保温层。

具体实施方式

本发明设计原理：

1、“超导开关导冷固定结构”的长度设计：超导开关导冷固定结构如图1所示，由超导开关固定座1和超导开关连接件2组成，其一端连接传导冷却板、另一端连接超导开关。“超导开关导冷固定结构”的作用是把传导冷却板5的冷量传递给超导开关。由于导冷固定结构其一端是超导开关另一端是超导磁体4(超导磁体04通过传导冷却板05连接导冷固定结构)，这就决定了其既能够把传导冷却板05的冷量传递给超导开关，也能够把超导开关加热丝加热时的热量传递给超导磁体04，因此，当超导开关需要断开、给其加热丝加热时其产生的热量也同样会通过“超导开关导冷固定结构”传递给超导磁体。而此时超导磁体和超导开关的超导状态整相反：当超导开关被加热需要从超导状态变改为非超导状态时，超导磁体恰恰要维持超导状态，这就出现了二者需求矛盾的情况。为了使得超导开关加热时其热量尽量少的传递给超导磁体，要求超导开关导冷固定结构的长度尽量长，“路途”远了则传递热量就会响应变慢。但是，同样一个“超导开关导冷固定结构”在超导开关需要断开时同样担任传递冷量的任务：当需要给加热丝断电使得超导开关导通时，希望超导开关温度降低越快越好。而此时温度的降低需要传导冷却板5传递冷量给超导开关3才能使得超导开关迅速降温，当“超导开关导冷固定结构”长度太长时，会使得从传导冷却板05传递冷量给超导开关03的速度变慢，因此，“超导开关导冷固定结构”的长度也不能太长。

在本发明实施例中，超导开关导冷固定结构尺寸确定方法由公式(1)获得：

上式中，等号左边的L为本实施例需要求得的导冷固定结构设计长度，单位为m，等号右边的K和A是相对固定的。K为导冷固定结构的4K时的导热系数，纯铜取390W/m-K；A为导冷固定结构的传热横截面积，单位为m2，典型值取外径15mm-内径5毫米的管截面积。

等号右边的ΔT和Q是本实施例需要调整的参数。本发明通过调整等号右边的ΔT和Q，使得“超导开关导冷固定结构”不能过长也不能过短。ΔT和Q的参数调整方法如下：Q为超导开关设计加热量，典型加热量设置为0.02-0.03W，本实施例取加热量为0.03W，这样能够保持超导开关变成非超导状态，同时不引起过长的恢复时间；ΔT为磁体与超导开关之间的传热控制温差，取0.1K。从公式(1)看出，如果传热温差ΔT相对小，则L值相对小，“超导开关导冷固定结构”的长度相对短，该长度相对短，则超导开关的热量更加容易通过“超导开关导冷固定结构”传递给超导磁体；从公式(1)还看出，如果传热温差ΔT相对大，则L值相对大，“超导开关导冷固定结构”的长度相对长，该长度相对长，则超导开关由断开变为导通时需要恢复的时间就长，因为给超导开关降温时的冷量来自于传导冷却板5，传导冷却板和超导开关之间的“路途远”则传导冷却的时间就相对长。因此，本实施例将ΔT取值为取0.1K，用该值求得的“超导开关导冷固定结构”的长度即不过长也不过短。

总之，当ΔT取值为取0.1K、且加热量Q为0.03W时，在K和A相对固定的情况下，“超导开关导冷固定结构”的长度计算结果为204-306mm。工程尺寸可以据此理论值进行进一步调整。

2、“超导开关质量”的设计。超导开关质量大则热量多，假设质量增大一倍则热量也增大一倍、传递给超导磁体的热量也增大一倍。但是，质量m也不是越小越好，超导开关相当于一个电阻，超导开关之所以被断开是因为超导开关加热丝加热时电阻被无限增大，电阻无限大的情况下就相当于断路。虽然超导开关加热丝加热过程中使得超导开关的电阻无限大，但如果超导开关质量太小又相当于导线的电阻值减小，导线的电阻值是和导线的长度或质量成正比的，同样阻值的导线越长或质量越大则阻值越大，反之则越小。当超导开关的质量太小时就使得原本阻值无限大的超导开关因为阻值变小而重新由断路状态变为导通状态，当超导开关变为导通状态时，外部励磁电源施加给超导磁体的电流就会有一部分流向电阻值小的超导开关，从而在超导开关上产生分流，分流以后使得超导开关发热，当超导开关再次给加热丝加热时，此时是二个热量的叠加，一个是分流产生的热量，一个是加热丝本身的热量，二个热量叠加使得超导开关的总的热量超过预定值，此时，公式(1)计算的长度L因为Q的总热量增加了又会使得长度L相对变短，影响了长度计算的预期效果。并且超导开关因为是二个热量的叠加也容易损坏，并且因为分流也会影响对超导磁体的励磁。

本发明设计超导开关的质量应该保证超导磁体励磁过程中，励磁电压引起的超导开关自身发热量不超过制冷剂给超导磁体降温到4K时总漏热(例如总漏热1W)的2-3％左右，典型加热量设置为0.02-0.03W。则超导开关的质量为：

上式中，m为超导开关质量，单位为kg；Q为超导开关设计加热量，取0.02-0.03W；R超导开关线材的每米电阻，取2.3欧姆/m；U为超导磁体励磁电压，取1V。ρ为超导线材密度，取8960kg/m3；S为超导线截面积，取直径0.5mm对应的截面积。则超导磁体总漏热为1W时，超导开关的质量m为0.026-0.038kg。具体根据实际项目中超导开关骨架的对能量吸收的影响，可以适当降低计算超导线的质量。

3、“超导开关加热量”的设计。由公式(1)看出，在计算超导开关导冷固定结构的长度L时，超导开关的加热量Q就已经被固定了，因为计算超导开关导冷固定结构的长度L时首先要确定超导开关的加热量Q。因此，一旦超导开关导冷固定结构的长度L确定，则加热量也同时被固定，否则，如果长度确定了，重新变化加热量Q，则长度也会跟着改变，而长度L变化，则超导磁体与超导开关之间温差ΔT也会变化，温差变化就会推翻原来的设计，周而复始限于死循环。

总结：长度L、质量m、热量Q,这三者相辅相成，互为依存，其中任何一个都会影响其他二个的预期效果，三者的关系是组合以后相互约束的关系。其中，长度L来源于热量Q，质量m又会影响长度L和热量Q，本发明将三者巧妙结合，相互约束，取得了组合以后的效果，组合以后的效果相比组合以前的效果优越得多。

基于以上发明原理，本发明设计了一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，如图1、3、4、5所示，该方法基于一种传导冷却超导磁体超导开关***如图1、3、4，该***包括抽真空密封筒7和布设在抽真空密封筒7内的铝筒保温层8，布设在该铝筒保温层8内部的超导磁体4、传导冷却板5、超导开关3、超导开关导冷固定结构；所述传导冷却板5用于将传导冷却用制冷机6的冷量传给超导磁体4和超导开关3，其竖直方向的一侧连接超导磁体骨架的上下两端、另一侧连接超导开关导冷固定结构；所述超导开关导冷固定结构用于超导开关和传导冷却板之间的传导冷却通道；所述超导开关3为基于无感双绕法的超导开关、用于实现超导磁体与超导开关之间的“0”损耗闭环运行，其出线两端与超导磁体4的超导线3-2出线两端并联；该***还包括布设在抽真空密封筒7外部的外部励磁电源、加热丝电源和集成控制柜；该外部励磁电源用于在设定条件下给所述超导磁体4励磁并通过电缆与超导磁体4相连接；该加热丝电源通过电缆与该加热丝3-4连接、并在设定条件下给超导开关上的加热丝3-4加热、使得超导开关3从导通的超导状态变为断开的失超状态；该集成控制柜用于控制外部励磁电源、加热丝电源：该***还包括传导冷却制冷机6，该传导冷却制冷机6其顶部露出该抽真空密封筒7以外、其底部与传导冷却板5相连接；该传导冷却制冷机6用于将制冷机的冷量通过传导冷却板5传递给超导磁体4和超导开关3，并将抽真空后的铝筒保温层8内的温度从常温降低到超导温度；所述超导开关导冷固定结构包括超导开关固定座1和超导开关连接件2；

补充说明1：

如图4所示，所述超导开关包括超导开关骨架3-1、超导线3-2、绝缘层3-3、加热丝3-4、以及导线用固化剂；该超导开关骨架3-1采用有较好导冷性能材料加工而成，包括但不限于铜和铝，该超导开关骨架3-1使用前绕线区需先做绝缘，保证导线与骨架绝缘，该超导线3-2采用无感双绕法紧密绕制在超导开关骨架3-1上，该加热丝3-4绕制在超导线3-2的最外层，同样采用无感双绕法；所有导线绕制中或绕制后采用固化剂固化；所述无感双绕法既是计算出使用超导线的总长，将其对折而不断，取中点固定在起始端，开始两根并列绕制，一层一层绕制到设计层数，每一层绕制到末尾再将两根导线左右对调，以便更好的抵消感应电流。其中，绝缘层3-3沿着超导开关骨架3-1的轴向布设在超导线3-2和超导开关骨架3-1之间，加热丝3-4沿着超导开关骨架3-1的径向布设在超导线3-2的最外层。

补充说明2：

如图1所示，所述超导开关导冷固定结构包括超导开关固定座1和超导开关连接件2，该超导开关固定座1和超导开关连接件2的总长度为超导开关导冷固定结构传导冷却通道的总长度；该超导开关固定座1一端连接传导冷却板5、另一端连接超导开关连接件2；该超导开关连接件一端连接超导开关3，另一端连接超导开关固定座5。

补充说明3

所述传导冷却板5用于将传导冷却用制冷机的冷量传给超导磁体4和超导开关3，包括：当超导开关3从断开状态变为导通状态时，传导冷却板5将传导冷却用制冷机的冷量通过传导冷却板5传递给超导开关导冷固定结构，再通过超导开关导冷固定结构传递给超导开关3，使得超导开关3的温度迅速恢复为超导温度；

其特点是，该方法包括以下步骤：

步骤一、制作用于传导冷却超导磁体的无感双绕制的超导开关3、以及导冷固定结构；

所述超导开关导冷固定结构的传导长度，既要兼顾超导开关加热丝3-4加热时其加热丝产生的热量最少传递给超导磁体4，也要兼顾加热丝3-4断电时超导开关3的温度能够快速回到超导温度；同时，所述超导开关3的质量，既要兼顾不会因为超导开关质量过大而导致热量同步增加、同步增加的热量传递给超导磁体4而破坏超导磁体4的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关3质量过小而在超导磁体4励磁过程中产生超导开关上的分流而影响超导磁体4的励磁；同时，超导开关加热丝3-4的加热量，既要兼顾不能因为加热丝3-4加热量过高而将该热量传递超导磁体4、因而破坏超导磁体4的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关加热丝3-4加热量不足而使得超导开关阻值不够高而影响超导开关3从导通到断开状态的转换。

步骤二、将无感双绕制的超导开关3的2个超导线3-2的出现端子和超导磁体的2个出线端子并联；

步骤三、将超导磁体4、传导冷却板5、超导开关3、导冷固定结构整体放入抽真空密封筒7内的铝筒保温层8内；

步骤四、对超导磁体4及抽真空密封筒7内的铝筒保温层8进行抽真空；

步骤五、运行传导冷却制冷机6给超导磁体4及超导开关3降温至温度降至超导线3-2的超导温度；

步骤六、励磁前的准备：用加热丝电源给无感双绕制超导开关3加热丝3-4通电，至超导开关3处于断开状态；

步骤七、励磁：用外部励磁电源给超导磁体4通电励磁，直至磁场励磁到场；

步骤八、闭环运行：加热丝3-4电源关闭，无感双绕制超导开关3温度降低至超导开关处于导通状态，实现超导磁体与超导开关“0”损耗闭环运行，所述导通状态既是超导状态；

步骤九、***关闭前降场，直至超导磁体的电流降为0，降场完成。

进一步地，所述超导开关导冷固定结构的传导长度，具体为：当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离或者超导开关导冷固定结构的传导长度控制在204-306mm，且超导开关与磁体温差不超过0.1K，据此推算导冷固定结构的裕度。

进一步地，所述超导开关3的质量，当超导磁体4漏热量为1W时，超导开关3整体质量m为0.026-0.038kg。

进一步地，所述超导开关3加热丝3-4加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，典型加热量设置可以取0.02-0.03W。

进一步地，所述步骤六励磁前的准备，具体过程如下：

1)加热丝3-4通最小电流，待超导开关3温升稳定后；测试超导开关3是否处于断开状态，所述断开状态既是超导开关3上无感双绕制的超导线3-2不超导；

2)如果没有断开，增加加热丝3-4最小单位的电流，待温度稳定后继续测试超导开关3上是否处于断开状态；

3)直至加热丝3-4电流刚好使超导开关3处于断开状态；这么小的调节电流是为了使超导开关3处于断开状态同时对超导磁体4热负载最小。

进一步地，所述步骤九的***关闭前降场，直至超导磁体4的电流降为0，降场完成，具体过程如下：

1)将外部励磁电源与超导磁体4用电缆线接通，加热丝电源用导线与加热丝3-4连通；

2)给外部励磁电源升电流至升场到场时的数值，该升场到场时的数值既是当前超导磁体4的电流数值；此时外部励磁电源电流不影响超导磁体4与超导开关3的电流回路；

补充说明4

所述升场既是将外部励磁电源与超导磁体用电缆线接通，加热丝电源与加热丝3-4用导线连通；通过加热丝电源给超导开关加热丝3-4通电流加热至超导开关3处于断开状态时，通过外部励磁电源给超导磁体4升电流，直至电流达到设计值，此时超导磁体4升场完毕。

3)给加热丝3-4通电至超导开关3处于断开状态，此时流经超导磁体4的电流就回到外部励磁电源，超导磁体4与超导开关3的电流回路转变为超导磁体4与励磁电源的电流回路；

4)外部励磁电源开始给超导磁体降4电流，直至励磁电源电流降为0，降场完毕。

进一步地，所述的励磁既是在励磁之前，集成控制柜给超导开关加热丝3-4通电，使超导开关超导线3-2温度升高变为非超导状态，然后，外部电源给超导磁体4励磁，当磁体励磁4升场到场后，准备“0”损耗闭环运行；为使上述集成控制柜给超导开关加热丝3-4通电时尽量少的将热量传递给超导磁体4，要满足以下条件：当超导磁体4漏热量为1W时，超导开关3到传导冷却板5的传导距离控制在204-306mm、且该超导开关3的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，该长度和加热量使得超导开关加热丝3-4加热时的热量尽量少的传给超导磁体4，以免超导磁体4在励磁前因被传递过多的热量而失超影响励磁，同时，超导开关3整体质量m为0.026-0.038kg，使得超导磁体4励磁过程中不会对超导开关3产生分流。

进一步地，所述的“0”损耗闭环运行，既是停止给超导开关加热丝3-4通电，超导开关超导线3-2温度降低，逐渐转变为超导状态和导通状态，此时超导磁体4与超导开关3实现“0”损耗闭环运行、磁体励磁电源退电流后直接断开移走；为使上述停止给超导开关加热丝通电时，超导开关3能够迅速实现“0”损耗闭环运行，应满足以下条件：当超导磁体4漏热量为1W时，超导开关3到传导冷却板5的传导距离控制在204-306mm，该距离使得断电以后超导开关3能够迅速恢复到超导温度，同时，当超导磁体4漏热量为1W时，控制超导开关3整体质量m为0.026-0.038kg、且超导开关3的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3％左右，该质量和该加热量同样使得超导开关3断电时能够迅速恢复超导温度，实现“0”损耗闭环运行。

需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，该方法基于一种传导冷却超导磁体超导开关***，该***包括抽真空密封筒和布设在抽真空密封筒内的铝筒保温层，布设在该铝筒保温层内部的超导磁体、传导冷却板、超导开关、超导开关导冷固定结构；所述传导冷却板用于将传导冷却用制冷机的冷量传给超导磁体和超导开关，其竖直方向的一侧连接超导磁体骨架的上下两端、另一侧连接超导开关导冷固定结构；所述超导开关导冷固定结构用于超导开关和传导冷却板之间的传导冷却通道；所述超导开关为基于无感双绕法的超导开关、用于实现超导磁体与超导开关之间的“0”损耗闭环运行，其出线两端与超导磁体的超导线出线两端并联；该***还包括布设在抽真空密封筒外部的外部励磁电源、加热丝电源和集成控制柜；该外部励磁电源用于在设定条件下给所述超导磁体励磁并通过电缆与超导磁体相连接；该加热丝电源通过电缆与该加热丝连接、并在设定条件下给超导开关上的加热丝加热、使得超导开关从导通的超导状态变为断开的失超状态；该集成控制柜用于控制外部励磁电源、加热丝电源：该***还包括传导冷却用制冷机，该传导冷却用制冷机其顶部露出该抽真空密封筒以外、其底部与传导冷却板相连接；该传导冷却用制冷机用于将制冷机的冷量通过传导冷却板传递给超导磁体和超导开关，并将抽真空后的铝筒保温层内的温度从常温降低到超导温度； 所述超导开关导冷固定结构包括超导开关固定座和超导开关连接件；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、 制作用于传导冷却超导磁体的无感双绕制的超导开关、以及超导开关导冷固定结构；

所述超导开关导冷固定结构的传导长度，既要兼顾超导开关加热丝加热时其加热丝产生的热量最少传递给超导磁体，也要兼顾加热丝断电时超导开关的温度能够快速回到超导温度；同时，所述超导开关的质量，既要兼顾不会因为超导开关质量过大而导致热量同步增加、同步增加的热量传递给超导磁体而破坏超导磁体的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关质量过小而在超导磁体励磁过程中产生超导开关上的分流而影响超导磁体的励磁；同时，超导开关加热丝的加热量，既要兼顾不能因为加热丝加热量过高而将该热量传递超导磁体、因而破坏超导磁体的超导状态，也要兼顾不能因为超导开关加热丝加热量不足而使得超导开关阻值不够高而影响超导开关从导通到断开状态的转换；

步骤二、将无感双绕制的超导开关的2个超导线的出线端子和超导磁体的2个出线端子并联；

步骤三、将超导磁体、传导冷却板、超导开关、超导开关导冷固定结构整体放入抽真空密封筒内的铝筒保温层内；

步骤四、对超导磁体及抽真空密封筒内的铝筒保温层进行抽真空；

步骤五、运行传导冷却用制冷机给超导磁体及超导开关降温至温度降至超导线的超导温度；

步骤六、励磁前的准备：用加热丝电源给无感双绕制超导开关加热丝通电，至超导开关处于断开状态；

步骤七、励磁：用外部励磁电源给超导磁体通电励磁，直至磁场励磁到场；

步骤八、闭环运行：加热丝电源关闭，无感双绕制超导开关温度降低至超导开关处于导通状态，实现超导磁体与超导开关损耗闭环运行，所述导通状态即是超导状态；

步骤九、***关闭前降场，直至超导磁体的电流降为0，降场完成；

所述超导开关导冷固定结构的传导长度，当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离或者超导开关导冷固定结构的传导长度控制在204-306mm，且超导开关与超导磁体温差不超过0.1K，据此推算超导开关导冷固定结构的裕度；

所述超导开关的质量，当超导磁体漏热量为1W时，超导开关整体质量m为0.026-0.038kg；

所述超导开关加热丝加热量，具体为：超导开关的加热量不超过磁体4K总漏热的2-3%，当超导磁体漏热量为1W时，热量取0.02-0.03W。

2.根据权利要求1所述一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，其特征在于：所述步骤六励磁前的准备，具体过程如下：

1）加热丝通最小电流，待超导开关温升稳定后；测试超导开关是否处于断开状态，所述断开状态即是超导开关上无感双绕制的超导线不超导；

2）如果没有断开，增加加热丝最小单位的电流，待温度稳定后继续测试超导开关上是否处于断开状态；

3）直至加热丝电流刚好使超导开关处于断开状态；这么小的调节电流是为了使超导开关处于断开状态同时对超导磁体热负载最小。

3.根据权利要求1所述一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，所述步骤九的***关闭前降场，直至超导磁体的电流降为0，降场完成，具体过程如下：

1）将外部励磁电源与超导磁体用电缆线接通，加热丝电源用导线与加热丝连通；

2）给外部励磁电源升电流至升场到场时的数值，该升场到场时的数值即是当前超导磁体的电流数值；此时外部励磁电源电流不影响超导磁体与超导开关的电流回路；

3）给加热丝通电至超导开关处于断开状态，此时流经超导磁体的电流就回到外部励磁电源，超导磁体与超导开关的电流回路转变为超导磁体与励磁电源的电流回路；

4）外部励磁电源开始给超导磁体降电流，直至励磁电源电流降为0，降场完毕。

4.根据权利要求1所述一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，其特征在于：所述的励磁即是在励磁之前，集成控制柜给超导开关加热丝通电，使超导开关超导线温度升高变为非超导状态，然后，外部励磁电源给超导磁体励磁，当磁体励磁升场到场后，准备“0”损耗闭环运行；为使上述集成控制柜给超导开关加热丝通电时尽量少的将热量传递给超导磁体，要满足以下条件：当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离控制在204-306mm、且该超导开关的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3%，该长度和加热量使得超导开关加热丝加热时的热量尽量少的传给超导磁体，以免超导磁体在励磁前因被传递过多的热量而失超影响励磁，同时，超导开关整体质量m为0.026-0.038kg，使得超导磁体励磁过程中不会对超导开关产生分流。

5.根据权利要求1所述一种用于传导冷却超导磁体的超导开关***实现方法，其特征在于：所述的 “0”损耗闭环运行，即是停止给超导开关加热丝通电，超导开关超导线温度降低，逐渐转变为超导状态和导通状态，此时超导磁体与超导开关实现“0”损耗闭环运行、磁体励磁电源退电流后直接断开移走；为使上述停止给超导开关加热丝通电时，超导开关能够迅速实现“0”损耗闭环运行，应满足以下条件：当超导磁体漏热量为1W时，超导开关到传导冷却板的传导距离控制在204-306mm，该距离使得断电以后超导开关能够迅速恢复到超导温度，同时，当超导磁体漏热量为1W时，控制超导开关整体质量m为0.026-0.038kg、且超导开关的加热量不超过超导磁体4K总漏热的2-3%，该质量和该加热量同样使得超导开关断电时能够迅速恢复超导温度，实现 “0”损耗闭环运行。