一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置的制作方法

1.本发明涉及磁悬浮技术领域，特别涉及一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置。


背景技术：

2.中国的高铁通过这十几年的建设，高铁总里程达到3万多公里，技术位于世界前列，然而受轮轨关系、弓网关系、空气动力学及能耗经济性等因素制约，采用轮轨将目前高铁300-350km/h的速度进一步提速难度极大。面对社会高速发展的进一步需求，高速磁悬浮铁路建设需求应运而生，高速磁悬浮铁路可以解决轮轨铁路存在的轮轨黏着、摩擦、振动和高速受流等问题，具有更高的提速潜力（＞600km/h），近年来逐渐成为地面交通领域的研究热点。同时，在电磁弹射领域，如何获得更高的发射速度也是大家共同追求的目标，其中通过采用超导磁体产生更高的强磁场，从而获得更高的速度是一种被认为较好的方案。
3.国内前20年更多的将研究方向集中到常规磁悬浮技术方向，先后通过引进德国技术建成了上海磁悬浮列车运行线（430km/h），其后又独立研制了北京s1线磁悬浮列车（80km/h）、长沙磁悬浮线磁悬浮列车（100km/h）等，可见常导磁悬浮技术列车的运行速度还是相对较低，且相关研究表明其悬浮高度小、承载低，能耗较大，运行成本较高。同时，由于超导磁悬浮技术，特别是在超高速领域，其具有潜在的军事应用前景。最近几年受社会对超高速列车、以及超高速电磁弹射装置需求牵引，相关研究单位及高校相继开展了超导磁悬浮的研制工作，相关原理性的成果有一定的报道，然而针对高速磁悬浮超导磁体装置的冷却仍未得到有效解决，超导线圈在通电工作后会产生大量的热量，如果冷却不及时会对磁体装置的安全稳定运行造成严重威胁。目前对超导线圈多采用液氦等介质冷却，但是这些介质吸收热量后容易挥发，导致冷却效果下降，因此需要频繁的补充介质，不但提高了维护成本，而且磁体装置的运行效率也不高。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置，用以解决现有技术中需要频繁补充介质的问题。
5.一方面，本发明实施例提供了一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置，包括：冷却装置，包括冷却外杜瓦和制冷机，制冷机设置在冷却外杜瓦的外侧面上，冷却外杜瓦内部设置有冷凝器，冷凝器与制冷机连接；磁悬浮装置，与冷却装置连接，磁悬浮装置包括磁体外杜瓦、冷却介质槽和超导线圈，冷却介质槽设置在磁体外杜瓦内部，超导线圈设置在冷却介质槽内部，冷却介质槽通过管道与冷凝器连接。
6.本发明中的一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置，具有以下优点：可以实现超导线圈的冷却以及低温系统冷却介质零挥发，并解决了装置后期长时间运行过程中需要补充冷却介质等困难。
附图说明
7.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
8.图1为本发明实施例提供的一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置的立体结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置的主视结构示意图；图3为本发明实施例提供的冷却装置的结构示意图；图4为本发明实施例提供的磁悬浮装置的结构示意图；图5为本发明实施例提供的磁悬浮装置的截面示意图；图6为本发明实施例提供的支撑杆的结构示意图；图7为本发明实施例提供的冷却装置和磁悬浮装置的分离状态示意图。
9.附图标记说明：1-冷却装置，101-冷却外杜瓦，102-冷却冷屏，103-二级冷凝器，104-一级冷凝器，105-输液口，106-排气口，107-安装阀，108-连接管，109-输液过渡波纹管，110-排气过渡波纹管，111-连接过渡波纹管，112-冷却真空接口，113-支撑架，2-制冷机，201-一级冷头，202-二级冷头，3-电流引线接口，301-引线管，4-信号线接口，5-磁体真空接口，6-凸起结构，7-回气管路，701-回气直段，702-回气波纹管，703-分支管，8-磁体冷屏，9-磁体外杜瓦，10-超导线圈，11-超导开关，12-输液管，12-1-输液出口，13-磁体进液口，14-磁体回气口，15-连接单元，16-冷却介质槽，17-支撑杆，17-1-单层杆，17-2-多层杆，1701-内层杆，1702-中层杆，1703-外层杆，1704-外层连接结构，1705-内层连接结构，18-介质槽连接口，19-冷屏连接口，20-杜瓦连接口。
具体实施方式
10.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
11.图1-7为本发明实施例提供的一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置的结构示意图。本发明实施例提供了一种具有冷却装置的磁悬浮超导磁体装置，包括：冷却装置1，包括冷却外杜瓦101和制冷机2，制冷机2设置在冷却外杜瓦101的外侧面上，冷却外杜瓦101内部设置有冷凝器，冷凝器与制冷机2连接；磁悬浮装置，与冷却装置1连接，磁悬浮装置包括磁体外杜瓦9、冷却介质槽16和超导线圈10，冷却介质槽16设置在磁体外杜瓦9内部，超导线圈10设置在冷却介质槽16内部，冷却介质槽16通过管道与冷凝器连接。
12.示例性地，冷却介质槽16中充入大量液态的冷却介质，优选可以使用液氦。在低温环境下，超导线圈10处在超导状态，通电后能够产生强磁场，以向车辆或其他需要移动的物品提供动力。当冷却介质槽16中的冷却介质因热辐射等吸热挥发后，可进入冷凝器内部，在
制冷机2的带动下冷凝器将气态的冷却介质转换为液态，并重新输入到冷却介质槽16内部。冷却装置1的冷源来自于制冷机2，将冷却介质在冷凝器和冷却介质槽16之间循环实现了磁体装置的热平衡，达到了冷却介质零挥发泄露，几乎不需要外界补充冷却介质，保证磁体装置长期稳定运行。
13.在本发明的实施例中，冷却外杜瓦101通过支撑架113连接在磁体外杜瓦9的外顶面上。
14.具体使用时，两个磁体装置相对设置，其中的两个磁悬浮装置通过支撑杆17连接在一起，支撑杆17用于与车辆或其他需要移动的物品连接，以向外提供动力。支撑杆17可以采用高强度、低热导率的材料制成，如钛合金、不锈钢、碳纤维等。支撑杆17可以使用单层杆17-1或多层杆17-2，单层杆17-1可以为实心杆或空心杆，而多层杆17-2则可以使用多层空心杆嵌套形成，如图6所示。图6中的多层杆17-2由外层杆1703、中层杆1702和内层杆1701依次嵌套形成，在外层杆1703和中层杆1702之间设置有外层连接结构1704，而在中层杆1702和内层杆1701之间则设置有内层连接结构1705。
15.在图6中，可以根据系统受力大小与漏热综合因素，选择增加支撑杆17的长度来减小系统的漏热，单层杆17-1的总长为l2 l3，如果磁体结构受到空间尺寸w的限制（支撑杆17可以外凸或者完全置于磁体装置内部），其也可以设计成多层杆17-2。图6中示意了3层嵌套结构，在该种设计下支撑杆17的长度总体增加了约为2*l4，因此通过公式可知，其中，tl和th分别为支撑杆17两端的温度，l为支撑杆17的长度，k(t)为支撑杆17的导热系数，在其他参数不变的情况下，增加支撑杆17的长度l，其漏热量q将会明显的减小，以此来满足系统总体漏热需要小于制冷机2制冷功率的要求，实现系统的液氦零挥发，长期稳定运行。
16.磁体外杜瓦9的外侧面还设置有电流引线接口3和信号线接口4，磁体外杜瓦9内部设置有引线管301，引线管301的两端分别和电流引线接口3和冷却介质槽16连接，引线管301内部具有电流引线，该电流引线一端与超导线圈10电连接，一端从电流引线接口3伸出到磁体外杜瓦9外部，并与电源连接，以向超导磁体10提供电流。本发明实施例采用气冷电流引线的方案，即通过冷却介质槽16中因热负载挥发产生的气态冷却介质，流入引线管301中，实现对电流引线的冷却，避免电流引线通电时产生焦耳热导致温度过高情况发生，该方案也避免了直接采用传导冷却方式，而导致的电流引线漏热过大的问题。
17.磁体外杜瓦9内部还设置有多个传感器，例如温度传感器、电压信号传感器、应变传感器和液位计等，这些传感器用于监测磁体装置的工作状态，传感器的信号输出线通过信号线接口4引出。
18.在一种可能的实施例中，冷凝器包括：一级冷凝器104，与制冷机2以及冷却介质槽16分别连接；二级冷凝器103，与一级冷凝器103以及冷却介质槽16分别连接。
19.示例性地，冷却外杜瓦101内部还设置有一级冷头201和二级冷头202，一级冷头201连接在制冷机2和一级冷凝器104之间，二级冷头202则连接在一级冷凝器104和二级冷凝器103之间。一级冷凝器104用于实现温度约为30k左右的预冷，二级冷凝器103则用于实现温度低于4.2k冷却介质的降温。同时一级冷凝器104和二级冷凝器103之间采用连接管108进行连接，确保冷却介质的流通。
20.在本发明的实施例中，一级冷凝器104和二级冷凝器103都可以采用高热导率的金属（如高纯铜、高纯铝等）材料制作。
21.在一种可能的实施例中，还包括：充液管，一端与二级冷凝器103连接，另一端延伸至冷却外杜瓦101外部；排气管，一端与一级冷凝器104连接，另一端延伸至冷却外杜瓦101外部。
22.示例性地，本发明的磁体装置冷却过程包括降温阶段和低温维持阶段。在降温阶段下，可以通过外部储液罐将冷却介质通过充液管的输液口105注入到冷却装置1内部，冷却介质通过管路首先流入到二级冷凝器103内部。在降温初期，管道的温度比较高，液态的冷却介质直接挥发成为气体，气体经过连接管108流入到一级冷凝器104内部，进而经过排气管的排气口106或安装阀107排出。安装阀107设置在排气管上，该安装阀107用于在冷却装置1内部的气体压力过大时，将多余的气体排放出去，以避免冷却装置1因压力过高而发生损坏。
23.在管道完全冷却后，液态的冷却介质经过具有倾斜角度的管子依次流入磁体进液口13和输液管12，最终进入到冷却介质槽16内部，实现对超导线圈10的降温冷却。由于降温前期超导线圈10的温度很高（高于冷却介质的沸点温度），冷却介质会挥发成气体，经磁体回气口14流入到一级冷凝器104内部，此时由于磁体装置冷却前期内部的热量高于制冷机2的冷却功率，无法实现气体的冷凝，大量气体直接通过排气口106排放到大气或者气体回收装置中。
24.除采用直接补液的方式外，还可以向排气管内部注入气态的冷却介质。气态的冷却介质通过排气口106进入一级冷凝器104，先进行预冷，使得常温的冷却介质预冷到接近30k，然后通过连接管108进入二级冷凝器103，冷凝变成液态直接补充系统的液氦量，该方法较为方便，但是速度较直接补充液体慢。
25.在低温维持阶段下，整体漏热只是热辐射漏热与支撑杆17导致的热传导漏热，通过对支撑杆17的长度设计，可以减少因支撑杆17导致的热传导漏热，进而使系统整体的漏热低于制冷机2的制冷功率。
26.在一种可能的实施例中，二级冷凝器103与冷却介质槽16连接的管道包括补液管和输液管12，输液管12的一端延伸至磁体外杜瓦9的外侧面并形成磁体进液口13，补液管连接在二级冷凝器103和磁体进液口13之间，输液管12的另一端与冷却介质槽16连接；一级冷凝器104与冷却介质槽16连接的管道包括输气管和回气管路7，回气管路7的一端延伸至磁体外杜瓦9的外侧面并形成磁体回气口14，输气管连接在一级冷凝器104和磁体回气口14之间，回气管路7的另一端与冷却介质槽16连接。
27.示例性地，为了避免管路过长由于低温冷缩导致受力破坏，采用输液过渡波纹管109代替部分补液管，采用排气过渡波纹管110代替部分输气管。
28.在一种可能的实施例中，回气管路7包括：回气管，一端与冷却介质槽16连接，另一端形成磁体回气口14；回气直段701，一端与冷却介质槽16连接，另一端与回气管连接。
29.示例性地，回气直段701和冷却介质槽16之间还通过多个分支管703连接，该多个分支管703之间的距离不等。在本发明的实施例中，输液管12和冷却介质槽16的连接处位于冷却介质槽16的底部，而回气管、回气直段701以及分支管703与冷却介质槽16的连接处则处在冷却介质槽16的顶部，使液态的冷却介质能够顺利的被注入到冷却介质槽16中，而挥
发形成的气体可以顺利的进入到回气管、回气直段701和分支管703中。
30.在本发明的实施例中，还采用回气波纹管702代替部分回气直段701，以避免管路过长由于低温冷缩导致受力破坏，在一种可能的实施例中，冷却外杜瓦101内部还设置有冷却冷屏102，冷凝器设置在冷却冷屏102内部。
31.示例性地，冷却冷屏102可以使用高导电率、高热传导系数的材料制成，以减少系统高温端（冷却外杜瓦101）因热辐射引起的冷却装置内部低温部件的热负载。
32.在一种可能的实施例中，磁体外杜瓦9内部设置有磁体冷屏8，冷却介质槽16位于磁体冷屏8内部。
33.示例性地，磁体冷屏8也可以使用高导电率、高热传导系数的材料制成，以减少系统高温端（磁体外杜瓦9）因热辐射引起的冷却介质槽16的热负载。
34.在本发明的实施例中，磁体外杜瓦9的外侧面上设置有凸起结构6，该凸起结构6为空心结构。冷却介质槽16在正对凸起结构6的位置内陷形成介质槽连接口18，磁体冷屏8在与介质槽连接口18正对的位置具有通孔状的冷屏连接口19，凸起结构6的末端则形成杜瓦连接口20。支撑杆17的一端位于凸起结构6外部，另一端依次经过杜瓦连接口20和冷屏连接口19后插接在介质槽连接口18中。
35.在一种可能的实施例中，冷却外杜瓦101外侧面上设置有冷却真空接口112，冷却真空接口112用于与真空设备连接，以将冷却外杜瓦101内部抽真空；磁体外杜瓦9外侧面上设置有磁体真空接口5，磁体真空接口5用于与真空设备连接，以将磁体外杜瓦9内部抽真空。
36.示例性地，通过冷却真空接口112和磁体真空接口5可以将冷却外杜瓦101和磁体外杜瓦9内部抽真空（气压小于1.0e-5pa），以减小冷却装置1和磁悬浮装置运行时因空气导致的传导漏热。
37.在本发明的实施例中，冷却外杜瓦101和磁体外杜瓦9之间连接有连接过渡波纹管111，补液管和输气管位于过渡波纹管111内部。连接过渡波纹管111与冷却外杜瓦101连通，因此当冷却外杜瓦101被抽真空后，连接过渡波纹管111内部也处在真空状态，以减少补液管和输气管的漏热。连接过渡波纹管111的底部则通过连接单元15与磁体外杜瓦9连接。
38.本发明中的磁体装置工作过程如下：当超导线圈10被冷却介质冷却到其临界温度以下时，首先对连接在超导线圈10和电源之间的超导开关11进行加热，使超导开关11从超导态变为有阻状态，解除对超导线圈10的短路，然后使用电源通过电流引线接口3对超导线圈10加电，当电流加到目标值后，停止对超导开关11加热，使超导开关11重新进入超导状态，对超导线圈10短路。此时将电源电流降为0a，使磁体装置实现闭环运行。磁体装置的具体运行情况，可以通过内部相关的传感器，通过信号线接口4进行实时监测与控制。此时本发明中的磁体装置将可提供强度远远高于常规导体线圈所产生的极性周期变化的磁场，利用电动磁悬浮技术原理，配合地面推进、悬浮及导向线圈，实现超导磁体装置及所搭载的负荷的超高速运行。
39.在磁体装置整体处在低温状态时，因存在热负载，冷却介质槽16内部的液态冷却介质会受热负载的作用挥发成气体。气体将进入分支管703，经过回气直段701和回气管，通过磁体回气口14流经排气过渡波纹管110，再进入冷却装置1的一级冷凝器104内。气体经过
一级冷凝器104的预冷，温度较进入前有所降低，一般接近30k，然后经过连接管108进入二级冷凝器103，此时气体将被冷凝成液体，在重力作用下，液体经过具有角度的管路从输液管12回流到冷却介质槽16中，以上过程循环往复从而实现磁悬浮超导磁体装置的冷却介质零挥发，保持低温系统长时间稳定运行。
40.需要说明的是，本发明提供的磁体装置，只是构成磁悬浮推进系统的一部分，实际应用中其可以作为一个独立的单元部件，与所需要的磁悬浮系统进行配合安装以满足系统所需，如对于超导磁悬浮列车，需要将本发明的超导磁体装置以对称、阵列的形式安装到列车车体结构上，以满足磁悬浮列车的需求。
41.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
42.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。