一种高温超导磁体导冷装置,其特征是:包括横截面为圆弧形的柱状导冷板(1)、导冷铜带(2)、冷头连接法兰(4)、防辐射层(5)、环形支架(6),所述导冷板(1)的轴向两端以及中部各固定至少一根导冷铜带(2),所述导冷铜带(2)的另一端固定于冷头连接法兰(4),所述导冷板(1)外表面覆盖防辐射层(5),所述环形支架(6)固定于导冷板的外侧,用于为导冷装置定形,同时提高整个导冷装置结构的强度。本发明它的引入可以减小传导制冷单螺线管高温超导磁体内部的温度梯度,同时还可以提高传导制冷结构的制冷速度。而且由于导冷板结构具有较大的质量,可以储存较多的冷量,因此它还具有热沉的功能。
1.一种高温超导磁体导冷装置,其特征是:包括导冷铜带(2)、冷头连接法兰(4)、防辐射层(5)、环形支架(6)、横截面为圆弧形的柱状导冷板(1),所述导冷板(1)的轴向两端以及中部各固定至少一根导冷铜带(2),所述导冷铜带(2)的另一端固定于冷头连接法兰(4),所述导冷板(1)外表面覆盖防辐射层(5),所述环形支架(6)固定于导冷板的外侧,用于为导冷装置定形,同时提高整个导冷装置结构的强度;所述导冷板(1)横截面的环向弧度为270~330°,厚度为5~15mm,轴向的高度与所冷却的螺线管形高温超导磁体(14)的高度相当,所述导冷板(1)的内表面与超导磁体(14)的外表面保持30~50mm的间距。
2.根据权利要求1所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:所述导冷铜带(2)由经绝缘浸渍处理的高纯铜编织带组成多片铜箔叠加而成,以焊接、铆接或螺栓连接方式与其它部件构成连接结构。
3.根据权利要求2所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:所述导冷铜带(2)以铆接或螺栓连接的结构中,在连接面处需夹持铟片,以降低接触热阻。
4.根据权利要求1、2、3之一所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:所述导冷铜带(2)焊接固定于导冷装置外侧的轴向中部,用于连接导冷装置和冷头连接法兰(4)。
5.根据权利要求1、2、3之一所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:所述导冷铜带(2)焊接固定于导冷装置的轴向端部,用于连接导冷装置和磁体的导冷杆。
6.根据权利要求1所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:由纯铜制成的冷头连接法兰(4),螺栓连接于G-M制冷机冷头(13),用于将冷头的冷量导向导冷装置,在连接面处夹持铟片,以降低接触热阻。
7.根据权利要求1所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:以铝箔制成的防辐射层(5)以镀膜或粘接覆盖于圆弧形导冷板(1)的表面。
8.根据权利要求1所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:以低温下高机械强度的绝缘材料制成的环形支架(6)由至少一个圆环形构造组成,固定于圆弧形导冷板(1)的外侧。
9.根据权利要求8所述的高温超导磁体导冷装置,其特征是:环氧玻璃纤维材料或聚四氟乙烯材料制成的所述环形支架(6)有两个环形结构固定于导冷板(1)的外侧。技术领域
本发明涉及高温超导磁体传导制冷技术,具体说是一种高温超导磁体传导制冷用导冷装置结构。
背景技术
随着高温超导材料性能的不断提高及G-M制冷机制冷功率的大幅提升,目前20~30K(开尔文温度)已经成为高温超导高场磁体最为经济的运行温区。要将数百公斤重的高温超导磁体冷却到这一温区主要有两类方式。方式一是低温气体对流制冷,例如冷氦气制冷,氦气通过G-M制冷机制冷后通过高温超导磁体表面进行热量交换。对流制冷的优势在于制冷速度快,磁体温度梯度小;缺点在于杜瓦结构复杂,设备成本高。另一种方式是传导制冷,其基本原理是利用真空技术来消除磁体与外界环境之间的对流换热,利用热辐射屏蔽技术来大幅削弱外界的热辐射,之后,通过导冷结构将G-M制冷机的冷量传导到高温超导磁体表面,实现磁体的冷却。传导制冷的优势在于能耗低,设备简单,结构紧凑,便于维护,适用于电力设备。主要缺点为稳态温度梯度较大,降温速度较慢。为了减小高温超导磁体内部的温度梯度,提高磁体的制冷速度,需要对导冷结构进行优化设计。一方面,要根据超导磁体的外形来设计合理的导冷结构,设置充足的导冷通道,另一方面,要为导冷结构选择合适的材料,制定可靠的加工工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种减小传导制冷单螺线管高温超导磁体内部的温度梯度、快速制冷的高温超导磁体导冷装置。所述高温超导磁体导冷装置,其特征是:包括导冷铜带、冷头连接法兰、防辐射层、环形支架、横截面为圆弧形的柱状导冷板,所述导冷板的轴向两端以及中部各固定至少一根导冷铜带,所述导冷铜带的另一端固定于冷头连接法兰,所述导冷板外表面覆盖防辐射层,所述环形支架固定于导冷板的外侧,用于为导冷装置定形,同时提高整个导冷装置结构的强度。所述导冷板横截面的环向弧度为270~330°,厚度为5~15mm,轴向的高度与所冷却的螺线管形高温超导磁体的高度相当,所述导冷板的内表面与超导磁体的外表面保持30~50mm的间距。所述导冷铜带由经绝缘浸渍处理的高纯铜编织带组成多片铜箔叠加而成,以焊接、铆接或螺栓连接方式与其它部件构成连接结构。所述导冷铜带以铆接或螺栓连接的结构中,在连接面处需夹持铟片,以降低接触热阻。所述导冷铜带焊接固定于导冷装置外侧的轴向中部,用于连接导冷装置和冷头连接法兰。所述导冷铜带焊接固定于导冷装置的轴向端部,用于连接导冷装置和磁体的导冷杆。由纯铜制成的冷头连接法兰,螺栓连接于G-M制冷机冷头,用于将冷头的冷量导向导冷装置,在连接面处夹持铟片,以降低接触热阻。以铝箔制成的防辐射层以镀膜或粘接覆盖于圆弧形导冷板的表面。以低温下高机械强度的绝缘材料制成的环形支架由至少一个圆环形构造组成,固定于圆弧形导冷板的外侧。环氧玻璃纤维材料或聚四氟乙烯材料制成的所述环形支架有两个环形结构固定于导冷板的外侧。本发明可以减小传导制冷单螺线管高温超导磁体内部的温度梯度,同时还可以提高传导制冷结构的制冷速度。导冷板的圆弧形构造、导冷装置的尺寸选取、导冷铜带的编织结构及绝缘浸渍处理均有利于降低磁体工作过程中的涡流损耗。铜带与其他部件的连接方式及冷头连接法兰与冷头的连接方式有助于降低接触热阻,提高整个导冷板结构的导冷效率。防辐射层的引入有助于降低磁体辐射热的侵入。支架结构的引入则提高了导冷装置结构的整体强度,拓宽了它的应用范围。另外,本导冷装置结构不仅具有导冷通道的功能、防辐射屏功能,而且由于导冷板结构具有较大的质量,可以储存较多的冷量,因此它还具有热沉的功能。
附图说明
图1为本发明结构示意图,图2为超导磁体结构示意图,图3为G-M制冷机冷头结构示意图,图4为导冷装置与超导磁体、电流引线及制冷机冷头的装配图。其中:标号1—导冷板,2—导冷铜带,3—连接点,4—连接法兰,5—防辐射层,6—环形支架,7—超导双饼,8—导冷杆,9—上不锈钢连接法兰,10—下不锈钢连接法兰,11—导冷片,12—超导磁体电流引线,13—G-M制冷机冷头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:如图1中所示高温超导磁体导冷装置,它包括:横截面为圆弧形的柱状导冷板1、导冷铜带2、冷头连接法兰4、防辐射层5、环形支架6,所述导冷板1的轴向两端以及中部各固定至少一根导冷铜带2,所述导冷铜带2的另一端固定于冷头连接法兰4,所述导冷板1外表面覆盖防辐射层5,所述环形支架6固定于导冷板的外侧,用于为导冷装置定形,同时提高整个导冷装置结构的强度。圆弧形导冷板采用高导热材料,例如金属材料或导热陶瓷材料(如AlN陶瓷),可通过铸造或由板材卷曲加工而成,导冷板卷曲相向的两边需保留放置高温超导磁体电流引线12的足够间距。所述导冷板1横截面的环向弧度为270~330°,厚度为5~15mm,轴向的高度与所冷却的螺线管形高温超导磁体14的高度相当,所述导冷板1的内表面与超导磁体14的外表面保持30~50mm的间距。所述导冷铜带2由经绝缘浸渍处理的高纯铜编织带组成多片铜箔叠加而成,以焊接、铆接或螺栓连接方式与其它部件构成连接结构。所述导冷铜带2以铆接或螺栓连接的结构中,在连接面处需夹持铟片,以降低接触热阻。所述导冷铜带分为两类,一类焊接于导冷板外侧的轴向中部,用于连接导冷装置和冷头连接法兰4,另一类焊接于导冷装置的轴向端部,用于连接导冷装置和磁体的导冷杆。由纯铜制成的冷头连接法兰4,螺栓连接于G-M制冷机冷头13,冷头如图3所示,用于将冷头的冷量导向导冷装置,在连接面处夹持铟片,以降低接触热阻。防辐射层由防辐射材料制成,例如铝箔、喷铝涤纶薄膜、铝箔纸等。以铝箔制成的防辐射层5以镀膜或粘接覆盖于圆弧形导冷板1的表面。可采用镀膜或粘接等方式添加,用于降低外界辐射给导冷装置带来的辐射热。以低温下高机械强度的绝缘材料制成的环形支架6由至少一个圆环形构造组成,固定于圆弧形导冷板1的外侧。例如环氧玻璃纤维材料或聚四氟乙烯材料制成的所述环形支架6有两个环形结构固定于导冷板1的外侧。本发明中,导冷板的圆弧形构造、导冷装置的尺寸选取、导冷铜带的编织结构及绝缘浸渍处理均有利于降低磁体工作过程中的涡流损耗。铜带与其他部件的连接方式及冷头连接法兰与冷头的连接方式有助于降低接触热阻,提高整个导冷板结构的导冷效率。防辐射层得引入有助于降低磁体辐射热的侵入。支架结构的引入则提高了导冷板结构的整体强度,拓宽了它的应用范围。另外,本导冷装置结构不仅具有导冷通道的功能、防辐射屏功能,而且由于导冷装置结构具有较大的质量,可以储存较多的冷量,因此它还具有热沉的功能。以100kJ/50kW传导冷却SMES(超导磁储能)磁体为实施例对本发明加以介绍,超导磁体及自身的导冷构造如图2所示。传导冷却磁体的基本结构包括:超导双饼7,高纯铜导冷杆8,上不锈钢连接法兰9,下不锈钢连接法兰10,高纯铜导冷片11。各构造的基本参数如表1所示。表1xa0100kJ/50kWxa0SMES磁体主要参数ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>图3所示为G-M制冷机冷头结构图,冷头呈圆柱形,制冷段直径为100mm,高度为80mm。根据传导冷却磁体及G-M制冷机冷头的结构特点,圆弧形导冷板结构的基本参数如表2所示表2xa0圆弧形导冷板结构的基本参数ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>ntent="drawing" img-format="tif" inline="no" orientation="portrait" wi="567"/>图4所示为导冷板与超导磁体、电流引线及制冷机冷头的装配图。其中导冷铜带2与导冷板主体1之间采用焊接连接,中部铜带2与冷头连接法兰4也采用焊接连接,端部铜带2与磁体导冷杆8采用螺栓连接,连接面处垫有0.1mm铟片。导冷板主体1卷曲相向的两边之间的空间用于安放超导电流引线12。冷头连接法兰4与G-M制冷机冷头13的接触面同样垫有0.1mm厚铟片。