[发明专利]低温超导磁体的制冷系统

说明书

本发明涉及超导电力应用技术领域，公开了一种低温超导磁体的制冷系统。该制冷系统包括冷屏、引线冷却通道、冷屏冷却通道、第一液氦输入口、第一氦气输出口、氦槽、液氦输入管和氦气输出管，冷屏设置在低温超导线圈外，氦槽设置在冷屏和低温超导线圈之间且与二者均不接触，液氦输入管和氦气输出管均与氦槽连接，从第一液氦输入口经液氦输入管向氦槽注入液氦，从氦槽挥发的氦气经氦气输出管从第一氦气输出口输出，引线冷却通道连接在氦气输出管与超导电流引线之间，用于导冷以对超导电流引线进行冷却，冷屏冷却通道连接在氦气输出管与冷屏之间，用于导冷以对冷屏进行冷却。由此，可以有效地减小液氦的挥发，降低低温超导磁体失超的风险。

技术领域

本发明涉及超导电力应用技术领域，尤其涉及一种低温超导磁体的制冷系统。

背景技术

超导磁体因其产生磁场大、体积小、重量轻和损耗低等诸多优点，常常应用于超导电力应用中，如医用核磁共振系统和超导直线电机等。超导磁体按照不同原材料可分为高温超导磁体和低温超导磁体，高温超导磁体一般由YBCO、GdBCO等超导带材绕制而成，且一般工作在液氮温区，即77K，在特殊应用场合中，为了进一步提高高温超导材料的载流能力，也可工作在液氦温区，即4.2K；低温超导磁体一般由NbTi、Nb3Sn等超导线材绕制而成，一般工作在液氦温区。高温超导带材的临界温度大都在100K以上，在液氮温区下的温度裕度较大，一般不容易失超，而NbTi低温超导磁体和Nb3Sn低温超导磁体的临界温度仅仅为9K和18K，在液氦温区下，温度裕度小，相对于高温超导带材更容易失超。所以在低温超导磁体运行过程中，一旦液氦快速挥发后，低温超导线圈表面温度高于临界温度会导致失超。

众所周知，液氮的蒸发潜热为160.6kJ/L，液氦的蒸发潜热为2.6kJ/L，也就是说，1L的液氮和液氦挥发分别会带走160.6kJ和2.6kJ的热量，由此可知液氦对热量更为敏感，较小的热量会造成大量的液氦挥发，甚至超导磁体内部存不住液氦，最终导致超导磁体发生失超。此外，对于低温超导磁体制冷而言，一般首先进行液氮预冷，将超导线圈温度冷却至77K，再利用液氦将温度冷却至4.2K。但经过无数实验证明，由于液氦的蒸发潜热极低，在稍高温度下极容易挥发，仅仅依靠液氦将超导线圈从77K冷却至4.2K会浪费大量液氦，一般而言容积为20L的液氦杜瓦，在结构紧凑的超导磁体结构中，需要200L的液氦冷却。而液氦价格昂贵，若采用此方案进行冷却，会造成大量浪费，经济性低。

在超高速(600km/h以上)和高过载(超导磁体加速度30g以上)环境下，制冷机不能随着超导磁体运动，因此在此环境下的低温超导磁体一般只能采用液氦浸泡式制冷方法，不能采用传统的制冷机传导冷却制式。目前常用的浸泡式低温超导磁体制冷制式主要有(1)如上所述，先用液氮制冷至77K，再由液氦直接制冷至4.2K；(2)先用液氮制冷至77K，再由制冷机二级冷头将超导线圈和冷屏等结构冷却至20-30K，最后由液氦制冷至4.2K，最后将制冷机从低温超导磁体移除。

现有的浸泡式低温超导磁体制冷制式比较常规，目前大部分低温超导磁体均采用此方案。若采用第一种方案，如上所述，会在77K冷却至4.2K时会造成大量的液氦浪费，经济性较差；若采用第二种方案，相对于第一种方案液氦消耗较少，但是在超导磁体中，冷屏的热辐射和电流引线等部件是漏热的主要来源之一，尽管在低温超导磁体制冷过程中能有效地减少液氦，但由于超导磁体在超高速和高过载环境下不能携带制冷机，因此在超导磁体运行过程中，冷屏和电流引线等部件没有主动制冷装置，由于系统漏热过大会使液氦挥发过快，若不妥善解决此问题，可能会导致超导磁体失超。第二种方案的另外一个缺点是制冷机的冷头拆卸难度较大，可操作性和可维修性较低。

发明内容

本发明提供了一种低温超导磁体的制冷系统，能够解决现有技术中的技术问题。