一种用于传导冷却超导磁体的超导开关.pdf

一种用于传导冷却超导磁体的超导开关，由开关骨架(1)、无感超导线圈(2)、加热棒(3)、温度计(4)和导冷杆(5)组成。无感超导线圈(2)以双绕方式均匀绕制在开关骨架(1)上。加热棒(3)通电后产生热量，断电后停止加热，用来实现无感超导线圈(2)超导态与正常态之间的转变。温度计(4)位于开关骨架(1)上沿中心轴方向的温度计安装孔(7)内，用来测量无感超导线圈(2)的温度。导冷杆(5)的一端连接开关骨架(1)，另一端连接超导磁体骨架。在开关骨架(1)上沿中心轴方向均布多个加热棒安装孔(6)，用来安装加热棒(3)，可根据需要对称安装两个或多个加热棒(3)，使开关骨架(1)受热均匀。

权利要求书1.  一种用于传导冷却超导磁体的超导开关，其特征在于所述超导开关由开关骨架(1)、无感超导线圈(2)、加热棒(3)、温度计(4)和导冷杆(5)组成；无感超导线圈(2)以双绕方式均匀绕制在开关骨架(1)上；两根或多根加热棒(3)嵌入开关骨架(1)上沿中心轴方向均布多个加热棒安装孔内；加热棒(3)通电后产生热量，断电后停止加热，用来实现无感超导线圈(2)超导态与正常态之间的转变；开关骨架(1)上沿中心轴方向开有一个温度计安装孔(7)，用来安装温度计(4)，以测量无感超导线圈(2)的温度；开关骨架(1)的中心是导冷杆安装孔(8)，导冷杆(5)安装在此导冷杆安装孔(8)内，导冷杆(5)的一端连接开关骨架(1)，另一端连接超导磁体骨架。2.  按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，所述的开关骨架(1)由铜或铝金属材料制成。3.  按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，所述的导冷杆安装孔(8)为螺纹结构，与导冷杆(5)上的螺纹(13)紧配合；导冷杆(5)靠近螺纹(13)的凸台(14)的端面与开关骨架(1)的下端面紧密贴合。4.  按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，所述的超导开关的加热棒(3)由本体(11)和引线(12)组成；柱形的本体(11)嵌入开关骨架(1)上的加热棒安装孔(6)内，安装孔(6)内的缝隙使用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充；引线(12)的一端与本体(11)相连，另一端与外部电源相连；加热棒(3)沿开关骨架(1)周向均匀分布。5.  按照权利要求1所述的超导开关，其特征在于，所述的无感超导线圈(2)的导线与导线之间，以及导线与开关骨架之间的缝隙均用掺杂有氮化铝粉的环氧树脂填充；绕制无感超导线圈(2)之前在开关骨架的外表面均匀喷涂一层厚度约1μm的聚四氟乙烯薄膜。

说明书一种用于传导冷却超导磁体的超导开关
技术领域
本发明涉及一种超导开关，特别涉及一种用于传导冷却超导磁体的热控式超导开关。
背景技术
随着低温技术的发展，超导磁体技术在高能物理、生物医学、物质结构以及医学诊断和科学研究等领域得到越来越广泛的应用。目前，超导磁体系统的冷却主要有液氦浸泡冷却和制冷机传导冷却两种方式。液氦浸泡冷却的超导磁体系统应用最为广泛，但是这种方式受到国际氦资源限产及限运等客观因素的严重制约，我国就曾一度出现无液氦可用的情况，而且液氦冷却系统需要专业的运输和输液操作，增加了系统应用的复杂性和运行成本。采用低温制冷机代替液氦作为冷源，通过传导冷却方式将超导线圈温度降至运行温度以下，无需液氦运输及输液操作，同时，由于系统只消耗电能，大幅降低了运行成本。基于以上优势，传导冷却超导磁体技术近十来年得到了快速发展，在很多领域已经或正在取代液氦浸泡冷却磁体。
与传统的液氦浸泡磁体一样，制冷机传导冷却超导磁体的运行也有两种基本模式，即电源供电模式和闭环运行模式。在电源供电模式中，超导磁体的供电电源是低压大电流的稳压或稳流电源，为保证超导磁体稳定地工作，一般要求电源的纹波比要小，可以缓慢而均匀地调节，尤其是不应有明显的抖动，这种模式适用于运行时间较短，对磁场稳定度要求不高，励磁和退磁操作较频繁的工况。闭环运行模式(也叫持续电流运行模式)是在超导磁体的两端并联一个超导开关，在磁体励磁结束后，由超导开关和超导磁体绕组组成闭环回路，使磁体在无损耗或磁场衰减很慢的状态下运行，从而与外部电源脱离，这种模式适用于运行时间较长，对磁场稳定度要求较高，励磁和退磁操作较少的工况。与电源供电模式相比，闭环运行模式的超导磁体具有很多优点，例如，可以获得极高稳定度的磁场；在持续电流运行期间与外部电源脱离，节约了电能，降低了运行费用；还可以降低外界噪声对超导磁体系统的影响，提高磁体运行的可靠性等。
超导开关是传导冷却超导磁体实现闭环运行的一个重要部件，具有断开和导通两种工作状态，分别对应于超导开关由超导态转变为正常态和由正常态转变为超导态。通常超导开关的状态转变可以通过改变超导材料的温度或磁场来实现，分别称为热控式和磁控式超导开 关。其中，热控式超导开关由于结构相对简单，应用最广泛。
不同于传统的液氦浸泡超导磁体，传导冷却超导磁体和超导开关都是依靠低温制冷机冷却到临界温度以下。一方面，在超导开关断开，即超导开关由超导态转变为正常态时，超导开关产生的热量要严格控制在允许的范围内，是其温度在临界温度以上的某一合理的区间，确保超导开关向超导磁体的漏热在允许的范围内，不引起超导磁体的失超；另一方面，在超导开关导通，即超导开关由正常态转变为超导态时，超导磁体与超导开关之间的热连接要好，以确保超导开关能够冷却都临界温度以下实现超导态。中国专利CN101714864B公开的一种带温度闭环控制的超导开关本体，由超导线圈和加热丝线圈隔层绕制在超导开关骨架上，这种结构在绕制时操作较复杂，要有副骨架暂存待绕的超导线和加热丝；另外，每层超导线和加热丝之间要有良好的热传导，在绕制时对环氧的填充精度要求较高。
发明内容
本发明的目的是针对传导冷却超导磁体用超导开关绕制复杂的缺点，提出一种新的超导开关。
本发明的用于传导冷却超导磁体的超导开关包括开关骨架、无感超导线圈、加热棒、温度计和导冷杆，其中开关骨架是由热导率较高的金属材料，如紫铜、铝合金等制成的两端带有法兰的空心圆筒。无感超导线圈以双绕方式绕制在开关骨架上，相邻两匝超导线的电流方向相反。无感超导线圈的层数可以为一层也可以为多层，根据具体的设计要求确定。在开关骨架上沿中心轴方向均布多个加热棒安装孔，两根或多根加热棒嵌入该安装孔内。加热棒通电后产生热量，用来加热开关骨架，而后由导热良好的开关骨架将热量传导给无感超导线圈，使得无感超导线圈温度上升到临界温度以上，即无感超导线圈由超导态转变为正常态。加热棒停止通电后，无感超导线圈慢慢冷却，温度逐渐下降到临界温度以下，此时无感超导线圈由正常态转变为超导态。可以根据需要对称安装两根或多根加热棒，使开关骨架受热均匀。在开关骨架上沿中心轴方向开有一个温度计安装孔，用来安装温度计，测量无感超导线圈的温度，用来判断超导开关处于超导态还是正常态。绕制完成的超导开关通过导冷杆与超导磁体的骨架相连。导冷杆的作用有两方面，一方面，当加热棒通电产生热量使无感超导线圈温度上升至临界温度以上，超导开关由超导态转变为正常态时，导冷杆应是热的不良导体，以确保超导开关温度上升产生的热量不易被传导至超导磁体引起失超；另一方面，当断开加热棒，超导开关由正常态转变为超导态时，导冷杆应是热的良导体，确保超导开关尽快冷却到超导态温度。
所述的开关骨架的导冷杆安装孔安装在开关骨架的中心孔内，为螺纹结构，与导冷杆上的螺纹紧配合，导冷杆上靠近螺纹的凸台端面与开关骨架的下端面紧密贴合，确保开关骨架 和导冷杆之间的良好热接触。实现开关骨架和导冷杆之间的良好热接触。
所述的无感超导线圈电感几乎为零，导线与导线之间以及导线与开关骨架之间的缝隙都用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充，使得开关骨架与无感超导线圈之间的传热均匀，同时加固了导线使其不发生移动。绕制无感超导线圈之前先将开关骨架的外表面均匀喷涂一层厚度约1μm的聚四氟乙烯薄膜，确保绕制在上面的无感超导线圈对地绝缘良好。
所述的超导开关的加热棒由本体和引线组成；柱形的本体嵌入开关骨架上的加热棒安装孔内，安装孔内的缝隙使用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充；引线的一端与本体相连，另一端与外部电源相连。加热棒沿着开关骨架周向均匀分布。
所述的超导开关的加热棒取代了传统的加热丝线圈，无需与无感超导线圈间隔绕制，柱形的加热棒嵌入开关骨架上的加热棒安装孔内，孔内的缝隙使用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充，使得加热棒和开关骨架实现良好热接触。加热棒沿着开关骨架周向均匀分布，可以根据实际需要确定加热棒个数并对称安装，使得开关骨架受热更均匀。
附图说明
图1是本发明实施例的用于传导冷却超导磁体的超导开关的整体外观示意图，图中，1开关骨架，2无感超导线圈，3加热棒，4温度计，5导冷杆；
图2是本发明实施例的用于传导冷却超导磁体的超导开关的骨架示意图，图中，6加热棒安装孔，7温度计安装孔；8导冷杆安装孔；
图3是本发明实施例的用于传导冷却超导磁体的超导开关的无感超导线圈的结构示意图，图中，9超导线，10聚四氟乙烯薄膜；
图4是本发明实施例的用于传导冷却超导磁体的超导开关的加热棒的示意图，图中，11本体，12引线；
图5是本发明实施例的用于传导冷却超导磁体的超导开关的导冷杆的示意图，图中，13螺纹，14凸台。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明的用于传导冷却超导磁体的超导开关由开关骨架1、无感超导线圈2、加热棒3、温度计4和导冷杆5组成。所述的超导开关为热控式。开关骨架1是由热导率较高的金属材料，如紫铜、铝合金等制成的两端带有法兰的圆筒，无感超导线圈2以双绕方式绕制在开关骨架1上。加热棒3通电后产生热量，用来加热开关骨架1，而后由导热良好的开关骨架1将热量传导给无感超导线圈2，使得无感超导线圈2温度上升到临界温度以上，即无感超导线圈2由超导态转变为正常态。加热棒3停止通电后，无感超导线圈2慢慢冷却， 温度逐渐下降到临界温度以下，此时无感超导线圈2由正常态转变为超导态。温度计4用来测量无感超导线圈2的温度，以此判断超导开关处于超导态还是正常态。导冷杆5的一端连接超导磁体骨架，另一端连接开关骨架1。
如图2所示，所述的开关骨架1是两端带有法兰的圆筒，在开关骨架1上沿中心轴方向均布多个加热棒安装孔6，用来安装加热棒3，可根据需要对称安装两个或多个加热棒3，使开关骨架1受热均匀。在开关骨架1上沿中心轴方向开一个温度计安装孔7用来安装温度计4，测量无感超导线圈2的温度，用来判断超导开关处于超导态还是正常态。开关骨架1的中心是导冷杆安装孔8，导冷杆安装孔8为螺纹结构，与导冷杆5上的螺纹紧配合，实现开关骨架1和导冷杆5之间的良好热接触。
如图3所示，所述的无感超导线圈2为双绕方式，电感几乎为零，相邻两匝超导线9的电流方向相反，层数可以为一层也可以为多层，根据具体的设计要求确定。超导线9与超导线9之间以及超导线9与开关骨架1之间的缝隙都用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充，使得开关骨架1与无感超导线圈2之间的传热均匀，同时起到了加固超导线9的作用，确保超导线9不发生移动。绕制之前先将开关骨架1的外表面均匀喷涂一层厚度约1μm的聚四氟乙烯薄膜10，确保绕制在上面的无感超导线圈2对地绝缘良好。
如图4所示，所述的超导开关的加热棒3由本体11和引线12组成，取代了传统的加热丝线圈，无需与无感超导线圈2间隔绕制。柱形的本体11嵌入开关骨架1上的加热棒安装孔6内，安装孔6内的缝隙使用掺杂了高导热氮化铝粉的环氧树脂填充，使得本体11和开关骨架1实现良好热接触。引线12的一端与本体11相连，另一端与外部电源相连，接通电源后给加热棒本体11加热，断开电源后，停止加热。加热棒3沿着开关骨架1周向均匀分布，可以根据实际需要确定加热棒3的个数并对称安装，使得开关骨架1受热更均匀。
如图5所示，所述的超导开关的导冷杆5为两端带有螺纹13和凸台14的圆柱杆，其中一端的螺纹13与开关骨架1的导冷杆安装孔8的内螺纹紧配合，与该螺纹13相邻的凸台14外端面与开关骨架1的下端面紧密贴合，确保开关骨架1和导冷杆5之间的良好热接触。导冷杆5另一端的螺纹13和凸台14与超导磁体的骨架连接。导冷杆5的作用有两方面，一方面，当加热棒3通电产生热量使无感超导线圈2温度上升至临界温度以上，超导开关由超导态转变为正常态时，导冷杆5应是热的不良导体，以确保无感超导线圈2温度上升产生的热量不易被传导至超导磁体引起磁体失超；另一方面，当断开加热棒3，超导开关由正常态转变为超导态时，导冷杆5应是热的良导体，确保超导开关尽快冷却到超导态温度。