一种高温超导磁体 |
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| 申请号 | CN201610913847.8 | 申请日 | 2016-10-20 | 公开(公告)号 | CN106571207A | 公开(公告)日 | 2017-04-19 |
| 申请人 | 云南电网有限责任公司电力科学研究院; | 发明人 | 胡南南; 杨明昆; 周兴梅; 王科; 马仪; 马宏明; 黑颖顿; | ||||
| 摘要 | 本 发明 实施例 公开了一种高温超导磁体，包括 支撑 筒体、杜瓦和高温超导绕组，杜瓦包括外筒和内筒，外筒的上端部与内筒的上端部密封连接，外筒的内表面与内筒的外表面之间设有 真空 空间，杜瓦的中心 位置 设置有室温孔；支撑筒体嵌套于内筒之内；高温超导绕组安装于所述支撑筒体的外表面；高温超导绕组包括由高温超导带材绕制的高温超 导线 圈，从高温超导绕组的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的 匝 数依次递减。通过设计高温超导绕组的线圈匝数分布，使得从高温超导绕组的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的匝数依次递减，本发明实施例提供的高温超导磁体能在中心室温孔的一定区域内产生高均匀度的 磁场 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高温超导磁体，其特征在于，包括支撑筒体(3)、杜瓦(4)和高温超导绕组(1)，所述杜瓦(4)包括外筒(41)和内筒(42)，所述外筒(41)的上端部与所述内筒(42)的上端部密封连接，所述外筒(41)的内表面与所述内筒(42)的外表面之间设有真空空间，杜瓦(4)的中心位置设置有室温孔(43)； |
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| 说明书全文 | 一种高温超导磁体技术领域[0001] 本发明涉及高温超导技术领域，特别是涉及一种高温超导磁体。 背景技术[0002] 超导的发现是人类科学史上的重大发现之一。超导技术特别是高温超导技术的发展，其意义可以与电的发明相媲美。如今，随着高温超导技术的不断发展和成熟，高温超导技术的应用领域不断扩展。高温超导技术的常见应用就是高温超导磁体。与常规磁体相比，高温超导磁体具有体积小、重量轻、功耗小、磁场强度高以及稳定度高等优点，被大量用于通讯、医疗、高能物理以及电力等领域。由于与常规磁场相比，高温超导磁体往往能在大空间获得比常规磁体高很多的磁场强度，因此，在各种需要使用高强度的磁场的领域，高温超导磁体得到了广泛应用。例如，在医疗领域，很多大型医疗设备通常利用高温超导磁体产生的高强度磁场来检测和治疗人类的各种复杂疾病。 [0003] 目前，在很多大型医疗设备内通常使用带室温孔的常规圆柱形高温超导磁体，带室温孔的常规圆柱形高温超导磁体能在室温孔区域内为人们提供高强度的磁场。现有的带室温孔的常规圆柱形高温超导磁体主要包括高温超导绕组、支撑高温超导绕组的支撑筒体、以及承载支撑筒体和高温超导绕组的杜瓦等。 [0004] 在现有的带室温孔的常规圆柱形高温超导磁体中，采用尺寸相同、匝数相同的多个高温超导线圈模块来制作高温超导磁体的绕组。这样结构的高温超导绕组在室温孔区域内产生的磁场均匀度不够。在高温超导磁体中心的室温孔区域，室温孔中间部位的磁场强度高于室温孔两端的磁场强度，室温孔空间的磁场分布呈现中间大、两端小的特征。然而，在医疗领域，大型医疗设备除了需要高强度的磁场之外，对磁场的均匀度也要求很高，因为磁场的高均匀度是这些医疗设备工作的理论基础，是评价这些医疗设备的重要技术参数。带有室温孔的常规圆柱形高温超导磁体本身产生的磁场均匀度不够，显然不能满足使用需要。 发明内容[0005] 本发明实施例中提供了一种高温超导磁体，能在室温孔的一定区域内产生高强度、高均匀度的磁场，结构紧凑，安装和运行成本低。 [0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案。 [0007] 根据本发明的一个实施例，提供了一种高温超导磁体，包括支撑筒体、杜瓦和高温超导绕组，杜瓦包括外筒和内筒，外筒的上端部与内筒的上端部密封连接，外筒的内表面与内筒的外表面之间设有真空空间，杜瓦的中心位置设置有室温孔；支撑筒体嵌套于内筒之内；高温超导绕组安装于支撑筒体的外表面；高温超导绕组包括由高温超导带材绕制的高温超导线圈，从高温超导绕组的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的匝数依次递减。 [0008] 根据本发明的一个实施例，高温超导绕组包括多个高温超导双饼线圈，所述多个高温超导双饼线圈的内径相等，所述多个高温超导双饼线圈的匝数从高温超导绕组的两端端部到中心腰部依次递减。 [0009] 根据本发明的一个实施例，所述多个高温超导双饼线圈串联并由同一路电源供电。 [0010] 根据本发明的一个实施例，高温超导磁体还包括冷屏，冷屏悬置于真空空间中，真空空间的内表面镀有低辐射系数的防辐射层，防辐射层在水平方向和垂直方向上被多个绝缘隔断件分隔开，所述多个绝缘隔断件为无磁、绝缘、耐低温和低导热系数的复合结构，所述冷屏为高导热金属结构。 [0011] 根据本发明的一个实施例，冷屏的外表面环绕有螺旋冷却管，螺旋冷却管焊接在冷屏的外表面，螺旋冷却管为高导热金属结构。 [0012] 根据本发明的一个实施例，螺旋冷却管具有进口管和出口管，进口管伸出真空空间，进口管的进口位于内筒内；出口管伸出真空空间，出口管的出口位于杜瓦的外部；进口管和出口管与真空空间的交接处均密封连接。 [0013] 根据本发明的一个实施例，冷屏在水平方向和竖直方向上包括多个子冷屏，所述多个子冷屏之间通过绝缘间隔件连接；螺旋冷却管包括多个子冷却管，所述多个子冷却管之间通过气密绝缘件连接，绝缘间隔件和气密绝缘件均为无磁、绝缘、耐低温和低导热系数的复合结构。 [0014] 根据本发明的一个实施例，子冷屏和子冷却管的表面均镀有低辐射系数的防辐射层。 [0015] 根据本发明的一个实施例，冷屏通过吊杆吊挂于真空空间中，吊杆包括上杆、下杆以及连接上杆与下杆的中间杆，上杆与真空空间的顶部内壁固定连接，下杆与冷屏固定连接，上杆和下杆均为高导热金属结构，中间杆为无磁、绝缘、耐低温和低导热系数的复合结构。 [0016] 根据本发明的一个实施例，支撑筒体包括上法兰、下法兰和圆筒，圆筒的上下两端分别设置有台阶，上法兰和下法兰分别通过台阶限位在圆筒的上端和下端，上法兰和下法兰上、垂直于圆筒轴向方向上均匀开设有多个流通槽。 [0017] 由以上技术方案可见，本发明实施例提供的高温超导磁体，包括支撑筒体、杜瓦和高温超导绕组，杜瓦包括外筒和内筒，外筒的上端部与内筒的上端部密封连接，外筒的内表面与内筒的外表面之间设有真空空间，杜瓦的中心位置设置有室温孔；支撑筒体嵌套于内筒之内；高温超导绕组安装于支撑筒体的外表面；高温超导绕组包括由高温超导带材绕制的高温超导线圈，从高温超导绕组的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的匝数依次递减。通过设计高温超导绕组的线圈匝数分布，使得从高温超导绕组的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的匝数依次递减，本发明实施例提供的高温超导磁体能在中心室温孔的一定区域内产生高均匀度的磁场。另外，本发明通过将杜瓦设计成具有真空空间的双层容器以及在杜瓦的真空空间内设置冷屏、螺旋冷却管，以及在真空空间的内表面、冷屏的表面、螺旋冷却管的表面镀低辐射系数的防辐射层，可以很好地保证高温超导磁体的低温环境，显著降低高温超导磁体的运行费用，有利于进一步发展高均匀度磁场的高温超导磁体以及推动其商业化应用。 附图说明 [0018] 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，对于本领域普通技术人员而言，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。 [0019] 图1是根据本发明的一个实施例的高温超导磁体的截面图； [0020] 图2是根据本发明的一个实施例的图1的杜瓦的结构示意图； [0021] 图3是根据本发明的一个实施例的图1的高温超导绕组的截面图； [0022] 图4是根据本发明的一个实施例的图1的冷屏和螺旋冷却管的结构示意图； [0023] 图5是根据本发明的一个实施例的图1的吊杆的结构示意图； [0024] 图6为根据本发明的一个实施例的图1的支撑筒体的立体图； [0025] 图7为根据本发明的一个实施例的图1的支撑筒体的截面图； [0026] 图8是根据本发明的一个实施例的图1的高温超导磁体的立体示意图； [0027] 在图1至图8中，附图标记表示： [0028] 1-高温超导绕组，2-高温超导双饼线圈，3-支撑筒体，4-杜瓦，5-冷屏，6-吊杆，7-螺栓，8-金属碟簧，9-双螺帽，30-下法兰，31-上法兰，32-圆筒，33-流通槽，34-台阶，41-外筒，42-内筒，43-室温孔，51-螺旋冷却管，52-绝缘间隔件，511-进口管，512-出口管，61-上杆，62-中间杆，63-下杆。 具体实施方式[0029] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，都应当属于本发明保护的范围。 [0030] 图1是根据本发明的一个实施例的高温超导磁体的结构的截面图。如图1所示，根据本发明的一个实施例，高温超导磁体包括高温超导绕组1、支撑筒体3和杜瓦4。杜瓦4包括外筒41和内筒42。如图1所示，外筒41的上端部与内筒42的上端部密封连接，外筒41的内表面与内筒42的外表面之间设有真空空间，杜瓦4的中心位置设置有室温孔43。如图1所示，支撑筒体3嵌套于内筒42之内。高温超导绕组1安装于支撑筒体3的外表面。高温超导绕组1包括高温超导带材绕制的高温超导线圈，从高温超导绕组1的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的线圈匝数依次递减。在本发明的一个实施例中，支撑筒体3、杜瓦4可以由无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料形成，有利于降低高温超导磁体的整体重量，同时有利于降低高温超导磁体的热负荷。 [0031] 下面参照图2来描述杜瓦4的结构。如图2所示，在本发明的一个实施例中，外筒41和内筒42均可以是圆环形筒体，即，外筒41和内筒42的可用来置物的空间是圆环形的。外筒41和内筒42共中心轴线。外筒41的外环半径大于内筒42的外环半径，外筒41的内环半径小于内筒42的内环半径。另外，外筒41的上端部与内筒42的上端部密封连接，外筒41的内表面与内筒42的外表面之间设有真空空间，杜瓦4的中心位置设置有室温孔43。这样，外筒41和内筒42使得杜瓦4成为具有真空空间的双层容器，能大幅降低磁体的传导热负荷。根据本发明的一个实施例，内筒42内装有用于保持高温超导磁体的低温环境的冷却介质。冷却介质可以是液氮或液氦。 [0032] 根据本发明的实施例，对于高温超导线圈1，在满足从高温超导绕组1的两端端部到中心腰部，高温超导线圈的线圈匝数依次递减的情况下，高温超导绕组1可以包括螺线管式高温超导线圈、高温超导双饼线圈或其它任何合理适用形式的高温超导线圈。下面将结合图3描述根据本发明的一个实施例的用高温超导双饼线圈来实现本发明的高温超导绕组1的情况。如图3所示，高温超导绕组1包括多个高温超导双饼线圈2。所述多个高温超导双饼线圈2的内径相等，从高温超导绕组1的两端端部到中心腰部，所述多个高温超导双饼线圈2的匝数依次递减。根据本发明的一个实施例，所述多个高温超导双饼线圈2串联并由同一路电源供电。 [0033] 图3的多个高温超导双饼线圈2串联且由同一路电源供电，且高温超导绕组1通过在它的不同部位设置不同线圈匝数的高温超导双饼线圈2，从而能调整高温超导绕组1的不同部位的安匝数，从而能调整高温超导磁体的磁场均匀度。具体地，在本发明的实施例中，为了在高温超导磁体中心室温孔的一定区域内获得高均匀度的磁场以满足使用需求，从高温超导绕组1的两端端部到高温超导绕组1的中间腰部，高温超导双饼线圈2的匝数依次减少，于是，室温孔内的磁场矢量叠加的结果就是，磁体中心室温孔的一定区域内的均匀度大大提升。根据本发明的一个实施例，高温超导双饼线圈的匝数分布根据磁体室温孔一定区域内的磁场均匀度的要求来确定。 [0034] 另外，在本发明的实施例中，多个高温超导双饼线圈2串联且由同一路电源供电，相比于多个高温超导双饼线圈2由多路电源分别供电的情况，能避免多路电源的电流引线产生较高的低温热负荷，从而降低高温超导磁体的热负荷。 [0035] 众所周知，高温超导体的高温超导状态需要低温环境来保持，常用的高温超导体通常工作在液氮温度(77K)以下，无论采取浸泡还是传导冷却均需要尽可能降低制冷功率，从而降低高温超导磁体的运行费用。高温超导磁体运行过程中以传导、对流、辐射等形式产生低温热负荷。对于采用冷却介质浸泡的高温超导磁体，为了降低室温下的杜瓦外筒对低温下的内筒产生的辐射热和传导热，根据本发明的一个实施例，在图1的真空空间中设置冷屏来降低杜瓦外筒对杜瓦内筒的辐射热和传导热。下面参照图1和图4来描述。 [0036] 图4示出根据本发明的一个实施例的冷屏的结构。如图1和图4所示，本发明的高温超导磁体还包括冷屏5。冷屏5悬置于上文参照图1描述的真空空间中。冷屏5可以由高导热金属材料形成，即具有高导热金属结构。设置在真空空间内的冷屏5可以降低杜瓦外筒对杜瓦内筒的辐射热和传导热，冷屏5在外筒与内筒之间起到热屏障的作用。为了进一步增强冷屏5的这种热屏障作用，如图4所示，可以在冷屏5的外表面环绕地设置螺旋冷却管51，螺旋冷却管51焊接在冷屏5的外表面。根据本发明的一个实施例，螺旋冷却管51具有进口管511和出口管512。参照图1，进口管511伸出真空空间，进口管511的进口位于内筒42内。出口管512伸出真空空间，出口管512的出口位于杜瓦4的外部。根据本发明的一个实施例，为了保证真空空间的真空密闭性，进口管511和出口管512与真空空间的交接处均密封连接，进口管511和出口管512的设置不影响真空空间的真空密闭性。在本发明的一个实施例中，螺旋冷却管51也可以由高导热金属材料形成，即，具有高导热金属结构。 [0037] 如上所述，当冷屏5和螺旋冷却管51由高导热金属材料形成时，为了防止处于强磁场中的冷屏5和螺旋冷却管51会因磁场变化感应形成涡流，本发明的实施例将冷屏5和螺旋冷却管51用绝缘材料分隔成多个部分。具体地，参见图4，冷屏5在水平方向和竖直方向上可以被多个绝缘间隔件52分隔成多个子冷屏。换言之，本发明的实施例的冷屏5在水平方向和竖直方向上包括多个子冷屏，所述多个子冷屏之间通过多个绝缘间隔件52连接。相似地，螺旋冷却管51可以被多个气密绝缘件(图4未示出)分隔成多个子冷却管。换言之，螺旋冷却管51包括多个子冷却管，所述多个子冷却管51之间通过所述多个气密绝缘件连接。为了降低高温超导磁体的热负荷，在本发明的一个实施例中，冷屏5的绝缘间隔件52和螺旋冷却管51的气密绝缘件可以由无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料形成，即具有无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合结构。 [0038] 根据本发明的实施例，为了进一步降低高温超导磁体中因热辐射产生的低温热负荷，还可以在构成冷屏5的多个子冷屏的表面、构成螺旋冷却管51的多个子冷却管的表面镀有低辐射系数的防辐射层。这里，冷屏5的防辐射层、螺旋冷却管51的防辐射层可以由金或银等低辐射率材料形成。在这里，可以理解，由于多个子冷屏之间被绝缘间隔件52分隔开，多个子冷却管之间被气密绝缘件分隔开，因此子冷却管和子冷屏的表面上的防辐射层不会形成电回路，不会形成涡流。同样，为了进一步降低高温超导磁体中因热辐射产生的低温热负荷，还可以在真空空间的内表面上镀有低辐射系数的防辐射层。这里，真空空间的内表面上的防辐射层也可以由金或银等低辐射率材料形成。另外，为了避免涡流，真空空间的内表面上的防辐射层在水平方向和垂直方向上可以被多个绝缘隔断件分隔开。在本发明的一个实施例中，所述多个绝缘隔断件也可以由无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料形成，即具有无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合结构。 [0039] 如上所述，由于冷屏5在水平方向和垂直方向被绝缘间隔件52分隔成多个子冷却管以及螺旋冷却管51也被气密绝缘件分隔成多个子冷却管，因此避免了大的环向涡流及其产生的焦尔热损耗。杜瓦外筒与内筒之间的真空空间的内表面的防辐射金属镀层被绝缘隔断件分隔成物理上不连续的若干部分，也避免了大的环向涡流及其产生的焦尔热损耗。 [0040] 下面参照图1和图5来描述冷屏5以及螺旋冷却管51如何安装在真空空间内。参照图1和图5，冷屏5通过吊杆6吊挂于真空空间中，冷屏5悬空地安装在真空空间中，不与杜瓦内筒42和外筒41接触。参见图5，根据本发明的一个实施例，吊杆6可以包括上杆61、下杆63以及连接上杆61与下杆63的中间杆62，上杆61与真空空间的顶部内壁固定连接，下杆63与冷屏5固定连接。根据本发明的一个实施例，上杆61和下杆63均可以由高导热金属材料形成，中间杆62可以由无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料形成。下杆63由高导热金属材料形成，这样，上杆63与同样由高导热金属材料形成的冷屏5能很好地匹配，彼此之间的亲和度高，减少了彼此之间接触面上的应力，从而下杆63能很好与冷屏5固定连接。同样地，上杆61由高导热金属材料形成，与镀在真空空间顶部内壁表面上的低辐射系数金属材料的防辐射层能很好地匹配，彼此之间的亲和度高，减少了彼此之间接触面上的应力，从而上杆61能很好与真空空间顶部内壁固定连接。中间杆62由无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料形成，可以减小通过冷屏5支撑的传导热，降低热负荷。 [0041] 接下来参照图6和图7描述支撑筒体3的结构以及高温超导绕组1如何安装在支撑筒体3上。参照图6和图7，根据本发明的一个实施例，支撑筒体3可以包括上法兰31、下法兰30和圆筒32。参照图7，圆筒32的上下两端分别设置有台阶34，上法兰31和下法兰30分别通过圆筒32的上下两端的台阶34限位在圆筒32的上下两端。为了便于冷却介质在上下方向自由流通，如图6所示，在上法兰31和下法兰30上的垂直于圆筒32的轴向方向均匀开设有多个流通槽33。如图6和图7所示，高温超导绕组1安装于支撑筒体3的外表面，上法兰31和下法兰 30通过台阶34分别限位在圆筒32的上端和下端。如图7所示，上法兰31和下法兰30通过无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料的螺栓7、金属碟簧8以及无磁、绝缘、耐低温、低导热系数复合材料双螺帽9连接。 [0042] 下面参照图8来详细描述根据本发明的实施例的高温超导磁体的工作原理。图8是图1的高温超导磁体的立体结构示意图。如图1和图8所示，高温超导绕组1设置有多个高温超导双饼线圈2，且从高温超导绕组1的两端端部到中间腰部，高温超导双饼线圈2的线圈匝数依次递减。磁场矢量叠加的结果是，具有这样的线圈匝数分布的高温超导绕组1在室温孔一定区域内产生高均匀度的磁场。 [0043] 另外，本发明通过将杜瓦设计成具有真空空间的双层容器以及在杜瓦的真空空间内设置热屏障，能进一步提升高温超导磁体的超导性能。下面将参照图8来详细描述热屏障的工作原理。参见图8，本发明的高温超导磁体在工作时，在杜瓦4的内筒42中装有冷却介质(未示出)，例如，液氮或液氦。高温超导绕组1全部沉浸在冷却介质中。冷却介质的液面超过上法兰31的上表面，但不超过螺旋冷却管51的进口管511的进口。设置在真空空间的高导热金属冷屏5能阻断外筒41对内筒42的热传导和热辐射，能很好地保证内筒42内部的高温超导绕组的低温环境。进一步地，金属冷屏5还设置有螺旋冷却管51，螺旋冷却管51能不断地冷却冷屏5，使冷屏5的热屏障功能得以维持和进一步增强。具体地，内筒42内部的冷却介质在其液面上方形成冷气，由于杜瓦4内外的气体压强差，冷气从进口管511的进口进入，流经螺旋冷却管51，从出口管512的出口流出到杜瓦4的外部，于是冷气在螺旋冷却管51中循环流动。这样，螺旋冷却管51利用冷气的显热，在循环流动的过程中不断地将冷屏5冷却，从而保持并增强了冷屏5的热屏障功能，以进一步阻断外筒41对内筒42的热传导和热辐射，因而进一步地保证了高温超导绕组1处在低温环境，高温超导绕组1始终保持良好的超导性能。 [0044] 综上所述，本发明的高温超导磁体通过设计高温超导绕组不同部位的线圈匝数分布，可以在磁体中心室温孔的一定区域内获得高强度、高均匀度的磁场。并且在此基础上，本发明通过将杜瓦设计成具有真空空间的双层容器以及在杜瓦的真空空间内设置冷屏、螺旋冷却管，以及在真空空间的内表面、冷屏的表面、螺旋冷却管的表面镀低辐射系数的防辐射层，由此综合应用低温技术、真空技术、复合材料技术很好地保证了高温超导磁体的低温环境，显著降低高温超导磁体的运行费用，有利于进一步发展高均匀度磁场的高温超导磁体以及推动其商业化应用。 [0046] 以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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