一種冷卻系統、超導磁體系統及冷卻方法與流程

本發明涉及超導磁體，尤其涉及一種冷卻系統、超導磁體系統及冷卻方法。

背景技術：

1、超導的廣泛應用一直與低溫密不可分，只有將磁體冷卻至超導轉變溫度以下才能實現超導特性，一旦超過超導轉變溫度，失超產生的巨大焦耳熱可能燒毀超導線，甚至引發爆炸事故。目前應用最廣泛的超導磁體為低溫超導磁體，其超導轉變溫度非常低，如nbti的超導轉變溫度為9.6k，nb3sn的超導轉變溫度為18.1k，即使被稱為高溫超導磁體的液氮溫區超導磁體的超導轉變溫度也需要近似77k。因此，保證超導磁體穩定運行在低溫環境是超導技術應用的關鍵。

2、隨著小型制冷機技術的發展，使用制冷機直接冷卻超導磁體系統的應用越來越廣泛，其相對傳統低溫液體浸泡法，具有無液氦消耗、成本低、體積小、結構緊湊及易于使用和維護等優勢。典型的制冷機冷卻系統包括被冷卻負載、防輻射冷屏、制冷機、真空容器及其他附件，防輻射冷屏與制冷機一級冷頭連接，被冷卻負載與二級冷頭連接。冷卻系統運行時，制冷機二級冷頭將會達到閉式循環制冷機的最低溫度。

3、由于一級冷頭的制冷功率遠超二級冷頭，因此，一級冷頭的溫度很快將接近最終溫度，而當被冷卻負載的熱容量較大時，二級冷頭可能需要較長的時間才能將冷卻負載冷卻到最低溫度。為了縮短被冷卻負載冷卻至最低溫度的時間，可以在制冷機的一級冷頭和被冷卻負載之間安裝低溫熱開關，在開啟狀態下，低溫熱開關作為高效熱傳導件使用，將一級冷頭的大量冷量先對被冷卻負載進行預冷，當達到一級冷頭的最低溫度后，必須中斷低溫熱開關，二級冷頭才能將被冷卻負載繼續冷卻到更低的溫度。

4、低溫熱開關通常包括機械接觸式熱開關、超導式熱開關、氣隙式熱開關和磁阻式熱開關等。機械接觸式熱開關是利用可移動表面的接觸或斷開實現熱開關狀態的切換，其具有工作溫區不受限制且可完全斷開的優點，但是熱導受壓力限制難以做到較高，且需要設置額外的驅動結構驅動熱開關移動，設計難度較大，且占地空間較大；超導式熱開關的原理是利用超導材料在正常態和超導態的熱導率差異進行熱開關的切換，其在導通時導熱系數較高，但是僅適用于0.5k以下溫區，且需要額外施加作用于超導式熱開關的磁場，導致系統復雜性和系統成本增加，同時，對熱開關施加磁場時的磁熱效應也會產生熱量，在熱開關斷開時還會存在漏熱；氣隙式熱開關的工作原理是在溫度較低的一側放置吸附劑，當該側溫度較低時，吸附劑吸附氣體，使葉片間隙氣壓較低，熱開關處于斷開狀態，隨著該側溫度升高，吸附劑解吸，氣體進入間隙，熱開關處于導通狀態，其可被動驅動，但是預設工作溫度范圍要求較高，且需要精密制造，成本較高；磁阻式熱開關原理是利用某些金屬的磁阻效應，當施加磁場時，受到洛倫茲力作用，載熱電子的運動將受到抑制，材料的熱導率最低可降至僅由聲子導熱的水平，因此其開關比較大，但磁阻式熱開關僅限于極低溫應用，需要大磁場和相應的電磁鐵，成本較高，占地空間較大，同時磁阻材料過脆，易于損壞，導致加工和維護成本增加。

技術實現思路

1、本發明的一個目的在于提供一種冷卻系統，其能夠提高被冷卻負載的冷卻效率，在增大熱開關的開關比和導通時的導熱性的同時，減小熱開關的占地空間和設置成本，提高冷卻系統的結構緊湊性、運行安全性和運行穩定性。

2、本發明的另一個目的在于提供一種超導磁體系統，其能夠提高超導磁體系統的結構緊湊性，且能夠提高超導磁體系統的運行效率、運行安全性和運行可靠性。

3、本發明的又一目的在于提供一種冷卻方法，其能夠提高被冷卻負載的冷卻效率，減小冷卻時間，且提高被冷卻負載的運行安全性和運行效率。

4、為實現上述目的，本發明采用下述技術方案：

5、一種冷卻系統，用于冷卻被冷卻負載，所述冷卻系統包括真空罩、制冷機、熱開關及溫控裝置，所述制冷機具有一級冷頭和二級冷頭，所述被冷卻負載、所述一級冷頭及所述二級冷頭均位于所述真空罩內，所述熱開關包括第一低溫脈動熱管，所述第一低溫脈動熱管的冷凝段與所述一級冷頭熱連接，所述第一低溫脈動熱管的蒸發段與所述被冷卻負載連接，所述二級冷頭與所述被冷卻負載之間連接有熱傳導件，所述一級冷頭的最終制冷溫度低于所述第一低溫脈動熱管內工的三相點溫度，所述溫控裝置用于控制所述一級冷頭和所述二級冷頭的制冷溫度。

6、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述熱開關包括蒸發板和冷凝板，所述第一低溫脈動熱管的冷凝段固定于所述冷凝板，所述蒸發板和所述冷凝板均由導熱金屬制成，所述第一低溫脈動熱管的蒸發段固定于所述蒸發板，所述冷凝板與所述一級冷頭連接，所述蒸發板與所述被冷卻負載連接。

7、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述熱開關包括至少兩個第一低溫脈動熱管，所述蒸發板及所述冷凝板均與所述第一低溫脈動熱管一一對應設置；

8、所有所述冷凝板層疊設置并固定連接，且位于外側的一所述冷凝板與所述一級冷頭連接；

9、所有所述蒸發板分為分離設置的至少兩組，每組所述蒸發板包括至少一所述蒸發板或層疊且固定設置的若干個所述蒸發板，每組所述蒸發板中，位于外側的一所述蒸發板與所述被冷卻負載連接。

10、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述冷卻系統還包括一級防輻射屏，所述一級防輻射屏懸設于所述真空罩內，所述被冷卻負載懸設于所述一級防輻射屏內部，所述一級冷頭與所述一級防輻射屏熱連接。

11、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述冷卻系統還包括二級防輻射屏，所述二級防輻射屏懸設于所述一級防輻射屏內部，所述被冷卻負載懸設于所述二級防輻射屏內部，所述二級冷頭與所述二級防輻射屏熱連接。

12、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述熱傳導件包括第二低溫脈動熱管，所述第二低溫脈動熱管的蒸發段與所述被冷卻負載連接，所述第二低溫脈動熱管的冷凝段與所述二級冷頭熱連接，所述二級冷頭的最終制冷溫度處于所述第二低溫脈動熱管內工質的三相點溫度和臨界點溫度之間。

13、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述第一低溫脈動熱管內的工質為氬、氮、氧或甲烷；

14、所述第二低溫脈動熱管內的工質為氦、氫或氖。

15、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述制冷機設置有至少兩個，所述熱開關和所述熱傳導件均與所述制冷機一一對應設置。

16、作為一種冷卻系統的可選技術方案，所述一級冷頭、所述二級冷頭、所述熱開關、所述被冷卻負載和/或熱傳導件的外表面包覆有多層絕緣材料；

17、和/或，所述熱開關具有第一連接面和第二連接面，所述第一連接面與所述一級冷頭熱連接，所述第二連接面與所述被冷卻負載熱連接，所述第一連接面和/或所述第二連接面設置有導熱涂層和/或導熱片。

18、一種超導磁體系統，包括超導磁體，還包括如上所述的冷卻系統，所述超導磁體為所述被冷卻負載。

19、一種冷卻方法，應用于如上冷卻系統，所述冷卻方法包括：

20、將所述真空罩內部抽真空至真空值小于預設真空值；

21、啟動所述制冷機；

22、當所述一級冷頭的溫度達到所述第一低溫脈動熱管的氣液兩相流溫區時，控制所述一級冷頭的溫度保持至所述氣液兩相流溫區，以使所述熱開關處于導通狀態；

23、當所述被冷卻負載的溫度低于所述熱開關的三相點溫度時，停止對所述一級冷頭的溫度控制，以使所述一級冷頭溫降至所述第一低溫脈動熱管內工質的三相點溫度，使所述熱開關斷開。

24、作為一種冷卻方法的可選技術方案，所述冷卻方法還包括：

25、在所述被冷卻負載的運行過程中，當所述被冷卻負載的溫度升高至所述第一低溫脈動熱管的氣液兩相流溫區時，調控所述一級冷頭的溫度至所述氣液兩相流溫區，以使所述熱開關由斷開狀態轉化為導通狀態。

26、本發明的有益效果在于：

27、本發明提供的冷卻系統，通過使用熱開關包括第一低溫脈動熱管，可以有效利用制冷機一級冷頭的冷量，加快被冷卻負載冷卻至預設工作溫度，提高冷卻系統的效率，也能縮短被冷卻負載由溫升狀態恢復至正常工作狀態的時間，提高冷卻系統的運行安全性和可靠性；同時，第一低溫脈動熱管在導通時，導熱系數比導熱金屬高幾個數量級，傳熱效率高，能夠有效提高被冷卻負載的冷卻效率和被冷卻負載的恢復效率，同時其開關比較大，能夠有效保證熱開關斷開時的絕熱性能，保證冷卻系統的使用可靠性；而且，由于熱開關能夠根據溫度變化自動斷開和導通，無需機械和電磁驅動，降低控制難度，提高控制精度，保證熱開關的使用可靠性，同時減小熱開關的結構復雜性和空間占用率，降低冷卻系統的成本；再者，第一低溫脈動熱管體積小、重量輕且傳熱距離較遠，且能采用彎折布置，使得第一低溫脈動熱管可以容易地集成至具有嚴格質量和空間限制的結構中，提高冷卻系統的結構緊湊性。

28、本發明提供的超導磁體系統，通過采用上述的冷卻系統，能夠降低超導磁體預冷至預設工作溫度的時間，提高超導磁體系統的運行效率，且縮短在超導磁體失超時回復至超導狀態的時間，提高超導磁體系統的運行安全性和可靠性；同時，由于熱開關占地空間較小，布置靈活，能夠有效提高超導磁體系統的結構緊湊性。

29、本發明提供的冷卻方法，能夠提高被冷卻負載的冷卻效率，從而提高被冷卻負載的工作效率，提高被冷卻負載的運行安全性和可靠性。