一种便携式传导冷却的高温超导磁体的制作方法

1.本发明涉及高温超导应用领域，尤其涉及一种便携式传导冷却的高温超导磁体。


背景技术：

2.在节能减排的时代背景下，超导磁体因其更高的磁场产生效率，更低的能耗等优点在生物医疗、化学、材料、能源、交通等领域有着广阔的应用前景。目前常用的超导磁体多为低温超导磁体，低温超导磁体工作在液氦温区，为了维持低温超导磁体所处的低温环境，通常需要庞大的低温制冷和散热等辅助设备不间断运行。这不仅增加了超导磁体系统的能耗和复杂程度，也使得其难以满足一些应用领域对超导磁体轻量化、便携式、低能耗的要求。
3.高温超导磁体的工作温度通常为4.2－50k，其冷却方式取决于磁体的工作温度，高温超导磁体常用的冷却方式有液氦浸泡，固氮浸泡，和传导冷却等几种方式。与液体浸泡和固氮浸泡相比，传导冷却的降温方式具有结构简单，操作容易，磁体失超安全可控等优点。
4.与低温超导磁体相比，高温超导磁体具有更高的工作温度，这也就极大地减少了低温系统地复杂程度，使得轻量化、便携式、低能耗的斯特林制冷机用于高温超导磁体的降温冷却成为可能。常见的超导磁体多采用gm制冷机作为冷源，由于其低温系统体型庞大，系统能耗高，不太适用于一些对轻量化、便携式、低能耗有较高要求的应用场合。
5.传统的超导磁体悬挂系统多采用杆状的拉杆形式，这种形式的拉杆在轴向上具有较强的强度和刚度，但在别的方向上的强度和刚度会明显不足。而高速公路运输工况的超导磁体会承受来自各个方向的冲击，会造成超导磁体在某些方向出现强度和刚度不足的缺点，轻则会造成超导磁体磁轴偏移的问题，重则可能会损坏磁体。


技术实现要素：

6.为了提供轻量化、便携式、低能耗、结构简单的高温超导磁体的降温冷却方式，并提高高温超导磁体悬挂结构的刚度，以抵抗更高级别的运输冲击，本发明提出如下一种便携式传导冷却的高温超导磁体，其包括主线圈、调整线圈、第一斯特林制冷机、第二斯特林制冷机、第一导冷链路、第二导冷链路、第三导冷链路、80k热沉板、双锥支撑结构、真空容器和室温孔管。室温孔管固定在真空容器端板上，与高温超导线圈同轴布置。双锥支撑结构一端与高温超导线圈骨架相连，另一端固定在真空容器端板上；主线圈和调整线圈之间采用隔板隔开；第一斯特林制冷机和第二斯特林制冷机的冷指均伸入其下部的真空容器中，并分别连接第一导冷链路；第一斯特林制冷机通过第一导冷链路连接第三导冷链路的一端，第三导冷链路的另一端与隔板相连；第二斯特林制冷机依次通过第一导冷链路、80k热沉板连接第二导冷链路，第二导冷链路连接真空容器内的双锥支撑结构。
7.进一步的，主线圈和调整线圈均采用双饼的形式绕制而成，隔板喷涂绝缘漆，并采用高纯铝板制成，且起到导冷的作用。
8.进一步的，第一斯特林制冷机和第二斯特林制冷剂均采用风扇散热。
9.进一步的，双锥支撑结构采用双锥形低热导高强度复合材料制成。
10.进一步的，第一、第二和第三导冷链路均由高纯铜绞线制成，各导冷链路与双锥支撑结构、隔板、80k热沉板的连接界面具有高绝缘强度和低接触热阻。
11.进一步的，双锥支撑结构中部设置有热沉，用于和第二导冷链路相连。
12.进一步的，80k热沉板上装有高温引线座和高温超导开关，以实现高温超导磁体的闭环运行。
13.进一步的，第一导冷链路为两条，第二导冷链路为两条，第三导冷链路为4条。
14.进一步的，高温超导开关以无电感的方式由高温超导带材与加热带并绕而成，并与高温超导磁体的线圈回路并联。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
16.(1)本发明无需冷屏结构，系统结构大大简化。
17.(2)两台斯特林制冷机可采用市电供电，结构小巧，能耗低，可实现多应用场景的切换，对应用环境显得更友好。高温超导线圈与室温之间至少需要设置双锥结构热沉和高温引线座热沉，用于截断室温向高温超导线圈的热流，单台斯特林制冷机无法实现同时冷却双锥结构热沉、高温引线座热沉和高温超导线圈，所以至少需要两台斯特林制冷机。
18.(3)双锥形支撑结构可显著提高系统悬挂结构的刚度，可以抵抗更高级别的运输冲击。
附图说明
19.图1是便携式传导冷却高温超导磁体的结构示意图。
20.其中：主线圈1、调整线圈2、隔板3、风扇4、第一斯特林制冷机5、散热翅片6、冷指7、双锥支撑结构8、真空容器端板9、线圈骨架10、第二导冷链路11、热沉板12、第三导冷链路14、高温引线座15、高温超导开关16、第二斯特林制冷机17、室温孔管18、第一导冷链路19。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
22.如附图1所示，其为一种便携式传导冷却高温超导磁体，该高温超导磁体卧式布置，包括主线圈1、调整线圈2、第一斯特林制冷机、第二斯特林制冷机、第一导冷链路、第二导冷链路、第三导冷链路、80k热沉板、双锥支撑结构、真空容器和室温孔管。其中，主线圈用于产生主磁场，调整线圈用于调整磁场位形。主线圈1和调整线圈2均采用双饼的形式绕制而成，饼间采用喷涂绝缘漆的隔板3隔开，且起到导冷的作用。斯特林制冷机包括两台，均采用风扇4散热。第一斯特林制冷机5和第二斯特林制冷机17的冷指7均伸入到其下部的真空容器的真空腔中，分别连接第一导冷链路19。高温超导磁体的支撑结构为双锥支撑结构8，其采用双锥形低热导高强度的复合材料制成。双锥支撑结构8一端与线圈骨架10相连，另一端固定在真空容器端板9上。在安装过程中施加一定量的轴向预紧力用于抵消低温收缩。双
锥支撑结构8不仅能减小系统漏热，还能显著提高高温超导磁体的悬挂系统的结构刚度，用于抵抗运输等工况下的冲击载荷。第一斯特林制冷机5的冷量通过第一导冷链路19传递至第三导冷链路14后，直接传导到隔板3上，用于给高温超导磁体的线圈导冷。优选的，第三导冷链路14为4条。第二斯特林制冷机17的冷量通过第一导冷链路19传导到80k热沉板12，80k热沉板12上装有高温引线座15和高温超导开关16，可以实现高温超导磁体的闭环运行。80k热沉板12下端接有第二导冷链路11，其与双锥支撑结构8相连，用于在双锥结构的中部形成热隔断，阻隔室温热量向高温超导磁体的线圈流动。优选的，第二导冷链路11为2条，双锥支撑结构8也为2个，每条第二导冷链路11分别连接真空腔内的双锥支撑结构8。第二导冷链路11和第三导冷链路14与双锥支撑结构8、隔板3、80k热沉板12的连接界面必须保证较好的绝缘强度和较低的接触热阻。室温孔管18呈水平方向。室温孔管固定在真空容器端板9上，与高温超导磁体的线圈同轴布置，用于给用户所需的磁场提供一个室温环境，是超导磁体最重要的对外接口。
23.进一步的，高温超导开关16以无电感的方式由高温超导带材与加热带并绕而成，高温超导开关16与高温超导磁体的线圈回路并联，其工作在80k温区，可以避免开关打开时加热带的发热量对高温超导磁体的线圈的热平衡产生影响。
24.进一步的，双锥支撑结构8中部设有热沉，用于和第二导冷链路11相连。
25.进一步的，80k热沉板位于第二斯特林制冷机冷指下方，此处指定80k并不是指定热沉板的温度一定为80k，而是综合考虑斯特林制冷机在80k温区有较高冷量输出，并且双锥支撑结构中部热沉温度为80k左右会较好隔断室温向高温超导线圈的热流。所以80k热沉板温度会在80k上下一定范围内浮动。
26.进一步的，隔板3采用喷涂绝缘涂料的高纯铝板制成。
27.斯特林制冷机上带有散热翅片6和风扇4，制冷机通过氦气绝热膨胀的原理在冷指端产生极低温热流，同时氦气绝热膨胀过程中产生的热量通过散热翅片和风扇以热对流的方式散去。该热流通过导冷链路以热传导的方式传递给高温超导线圈，双锥结构热沉高温超导开关以及高温引线热沉，实现降温冷却。
28.本发明采用两台斯特林制冷机5和17作为冷源，无需冷屏结构，斯特林制冷机5用于冷却电流引线和作为支撑结构的带中间热沉的双锥支撑结构8，斯特林制冷机17用于冷却高温超导磁体的线圈。本发明的高温超导磁体工作在40-50k温区，而典型的轻量化斯特林制冷机在40k温区有2w的冷量输出，在80k温区有近20w的冷量输出，可满足高温超导磁体对低温系统的冷量的要求。
29.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。