用于超导磁体冷屏的冷却装置和超导磁体冷屏的制作方法

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及超导磁体冷却技术领域，尤其涉及一种用于超导磁体冷屏的冷却装置和超导磁体冷屏。背景技术：2.在超导磁体中，冷屏的主要作用是用于屏蔽热辐射，同时通过于支撑结构的连接点对支撑结构进行热截流，因此冷屏上的热负载非常大，为了保证冷屏可以正常运行，必须时刻向冷屏补充冷量。现有的冷屏设计上，用液氮作为制冷工质向冷屏提供冷量，液氮从超导磁体内部的液氮罐体中流出，与冷屏进行热交换，蒸发形成的氮气再回到液氮罐体中再液化形成液氮，因此需要在冷屏上设计可以使液氮自然循环的冷却管路。3.目前采用的液氮冷却管路是将液氮主管路的一端与液氮罐体相连，另一端与液氮循环管路相连，液氮循环管路固定安装在冷屏上，通过液氮将冷屏冷却至77k附近。但是，现在的液氮循环管路属于气液两相共用同一条管路，存在氮气无法上浮导致憋压的隐患，并且该液氮循环管路无法对副负载支撑件进行冷却，副负载支撑件周围的冷屏温度较高，使副负载支撑件对超导磁体的漏热增大。技术实现要素：4.本发明提供了一种用于超导磁体冷屏的冷却装置和超导磁体冷屏，能够解决现有技术中的技术问题。5.本发明提供了一种用于超导磁体冷屏的冷却装置，其中，该装置包括液氮主管路、氮气回收管路、存液槽、液氮供给管路和热锚点，所述液氮主管路的一端与液氮罐体连接，另一端以预定倾斜角度与冷屏上方的所述存液槽连接，所述液氮供给管路一端与所述存液槽底部连接，另一端与所述冷屏下方的所述热锚点连接，且所述液氮供给管路不与所述冷屏接触，所述氮气回收管路从所述热锚点引出并以与所述冷屏接触的方式分别沿主负载支撑件和副负载支撑件附近铺设后与所述存液槽连接。6.优选地，所述氮气回收管路的数量为四条，其中两条所述氮气回收管路从所述热锚点左侧部分引出并以与所述冷屏接触的方式分别沿左侧的主负载支撑件和副负载支撑件附近铺设后与所述存液槽的左侧部分连接，剩余两条所述氮气回收管路从所述热锚点右侧部分引出并以与所述冷屏接触的方式分别沿右侧的主负载支撑件和副负载支撑件附近铺设后与所述存液槽的右侧部分连接。7.优选地，所述存液槽包括主管路连接口和回收管路连接口，所述液氮主管路通过所述主管路连接口与所述存液槽连接，所述氮气回收管路通过所述回收管路连接口与所述存液槽连接。8.优选地，所述主管路连接口和所述回收管路连接口设置在所述存液槽的不同表面上。9.优选地，所述氮气回收管路的管径和所述液氮供给管路的管径通过蒸发的氮气在各自的出口的流速和液氮的潜热确定。10.本发明还提供了一种超导磁体冷屏，其中，包括上述的冷却装置。11.通过上述技术方案，可以解决现有技术中同一条管路存在氮气无法上浮导致憋压的问题；同时，可以对主负载支撑件和副负载支撑件快速降温，减小各负载支撑件对超导线圈的漏热。附图说明12.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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。13.图1为根据本发明实施例的一种用于超导磁体冷屏的冷却装置的结构示意图；14.图2为根据本发明实施例的存液槽的结构示意图；15.图3为根据本发明实施例的一种用于超导磁体冷屏的冷却装置中制冷管路与冷屏的相对位置示意图；16.图4为根据本发明实施例的一种热损耗与管径的关系的示意图。具体实施方式17.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。18.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。19.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。20.图1为根据本发明实施例的一种用于超导磁体冷屏的冷却装置的结构示意图。21.图3为根据本发明实施例的一种用于超导磁体冷屏的冷却装置中制冷管路与冷屏的相对位置示意图。22.如图1和3所示，本发明实施例提供了一种用于超导磁体冷屏的冷却装置，其中，该装置包括液氮主管路5、氮气回收管路7、存液槽8、液氮供给管路9和热锚点10，所述液氮主管路5的一端与液氮罐体连接，另一端以预定倾斜角度与冷屏4上方的所述存液槽8连接，所述液氮供给管路9一端与所述存液槽8底部(底面)连接，另一端与所述冷屏4下方的所述热锚点10连接，且所述液氮供给管路9不与所述冷屏4接触，所述氮气回收管路7从所述热锚点10引出并以与所述冷屏4接触的方式分别沿主负载支撑件2和副负载支撑件3附近铺设后与所述存液槽8连接。23.其中，液氮主管路5以预定倾斜角度与存液槽8连接，液氮由于自身重力会进入到存液槽8下方的液氮供给管9中，液氮供给管路9将液氮主管路5输入的液氮快速运送至热锚点10，氮气回收管路7与冷屏4接触进行换热，经过热交换形成的氮气(液氮气化后)通过氮气回收管路7聚集到存液槽8内的上部，使得液氮与氮气分开，进而通过液氮主管路5将氮气排放到液氮储罐中。由于液氮主管路5具有预定倾斜角度(相对于水平面倾斜预定角度)，因此可以确保液氮自然向下流动，氮气自然向上回收到液氮储罐中，避免了氮气无法上浮导致憋压的隐患。24.通过上述技术方案，可以解决现有技术中同一条管路存在氮气无法上浮导致憋压的问题；同时，可以对主负载支撑件和副负载支撑件快速降温，减小各负载支撑件对超导线圈的漏热。25.根据本发明一种实施例，所述氮气回收管路7的数量为四条，其中两条所述氮气回收管路7从所述热锚点10左侧部分引出并以与所述冷屏4接触的方式分别沿左侧的主负载支撑件2和副负载支撑件3附近铺设后与所述存液槽8的左侧部分连接，剩余两条所述氮气回收管路7从所述热锚点10右侧部分引出并以与所述冷屏4接触的方式分别沿右侧的主负载支撑件2和副负载支撑件3附近铺设后与所述存液槽8的右侧部分连接。26.也就是，对于四条氮气回收管路7，可以由热锚点10左右各引出两条管路进行氮气回收。27.本领域技术人员应当理解，上述关于氮气回收管路7的数量的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。28.图2为根据本发明实施例的存液槽的结构示意图。29.根据本发明一种实施例，如图2所示，所述存液槽8包括主管路连接口11和回收管路连接口12，所述液氮主管路5通过所述主管路连接口11与所述存液槽8连接，所述氮气回收管路7通过所述回收管路连接口12与所述存液槽8连接。30.其中，回收管路连接口12可以设置在存液槽8的上部。31.根据本发明一种实施例，所述主管路连接口11和所述回收管路连接口12设置在所述存液槽8的不同表面上。32.举例来讲，所示主管路连接口11可以设置在存液槽8的上部(上表面)或存液槽8的两端面，而所述回收管路连接口12可以设置在存液槽8的前后侧面。33.根据本发明一种实施例，所述氮气回收管路7的管径和所述液氮供给管路9的管径通过蒸发的氮气在各自的出口的流速和液氮的潜热确定。34.举例来讲，以设管路中的气隙率为50％为例，那么蒸发的氮气在管路出口的流速可以表示为(l为管路长度，g为重力加速度)。根据该流速和液氮的潜热γ＝1.99×102kj/kg可以计算出管径与热损耗的对应关系(如图4所示)，进而可以根据该对应关系确定各管路的管径(所述氮气回收管路7的管径和所述液氮供给管路9的管径)。35.其中，管径与热损耗的对应关系可以通过仿真得到，本发明不对此进行限定。36.通过上述方式确定管径，可以进一步避免憋压风险。37.此外，对于上述实施例中的预定倾斜角度，其大小不小于液氮主管路的最小倾斜角度，以保证氮气可以顺利回收。38.根据本发明一种实施例，管路的最小倾斜角度可以通过如下方式计算确定：39.通过fv＝(1/2)·(4π/3)r3×(ρl-ρg)·g·cosθ计算液氮主管路内气泡的浮力fv，通过fs＝σ×2πr计算气泡的表面张力fv，其中，ρl为液氮沸点时的密度，ρg为氮气沸点时的密度，σ为单位长度下的表面张力，r为气泡的半径，θ为管路倾斜角。当fv＞fs时，将此时对应的管路倾斜角作为管路的最小倾斜角度。40.本发明实施例还提供了一种超导磁体冷屏，其中，包括上述实施例中所述的冷却装置。41.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。42.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。43.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。44.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。









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