具有致冷剂容器的超导磁体设备的制作方法
【专利摘要】一种超导磁体设备，包括：至少一个超导绕组(20)；外真空室(OVC)(10)，容纳至少一个超导绕组(20)；至少一个热辐射屏蔽件(12)，位于至少一个超导绕组(20)和OVC(10)之间；致冷剂容器(22)，定位在至少一个热辐射屏蔽件(12)内和OVC(10)内，至少一个超导绕组(20)定位在致冷剂容器(22)外部；至少一个冷冻器(26)，可操作成将致冷剂容器(22)冷却到液态致冷剂温度并且布置成将至少一个热辐射屏蔽件(12)中的每个冷却到介于液态致冷剂温度和OVC温度之间的中间温度。致冷剂容器(22)外表面的相当一部分在液态致冷剂温度下具有比至少一个超导绕组的平均表面发射率大至少0.1的热发射率。
【专利说明】具有致冷剂容器的超导磁体设备
【背景技术】
[0001]用于冷却超导磁体的常规装置包括致冷剂容器，所述致冷剂容器部分地填充液态致冷剂浴，如氦。超导磁体绕组部分地浸没在液态致冷剂中，以在致冷剂的大约沸点的温度下保持它们。
[0002]这样的装置在致冷剂容器内提供了准等温环境。通过包括致冷剂容器的低温恒温器、包围致冷剂容器的外真空室(OVC)以及布置成将磁体、致冷剂容器和OVC保持在所需的相对位置的机械支撑件，得以防止环境热量到达绕组。一个或多个热辐射屏蔽件通常设置在致冷剂容器和OVC之间的空间。
[0003]OVC内的真空使对流损失最小化,而通过机械支撑件的热传导通过适当的材料选择和尺寸被最小化。这样的热传导遗留可以被主动冷却器(active cooler)截获,如低温冷冻器，其热连接到屏蔽件和/或致冷剂容器。
[0004]通过精心设计，到达“冷质量”(即液态致冷剂和与之接触的一切)的热潮(thermal influx)可以减少到小于1W。即使如此，必须小心，以确保该热潮不会到达超导绕组。部分浸没在液态致冷剂如氦中，连同低温冷冻器的对流冷却和致冷剂蒸汽再凝结在常规上确保了热潮不会到达超导绕组。
[0005]致冷剂容器的外表面可以涂覆在低发射率涂层如铝箔之中，这将反射到达致冷剂容器的热辐射，有助于保持热潮远离超导绕组。
[0006]常规设计理念一直追求冷却剂容器表面积的最小化，并且将之与入射辐射热量隔离，包括通过施加高反射的、低热发射率的表面涂层，以反射入射的热辐射。
[0007]如本文所使用的，术语“热辐射”和类似的术语被用来指代热红外波长范围内的电磁辐射，约8至14微米。术语“热发射率”和类似的术语被用来指代热辐射的发射率。
[0008]最近，超导磁体冷却装置已设计出不要求含有液态致冷剂浴的致冷剂容器。而是提供局部线圈冷却解决方案。例如，管道冷却系统，有时被称为冷却回路，可能涉及相对少量的液态致冷剂，诸如氦，从小的致冷剂贮存器循环通过与超导绕组热接触的管道和歧管系统。
[0009]图1示出穿过采用局部线圈冷却解决方案的常规超导磁体冷却装置的横截面。提供了中空柱形OVC 10，容纳超导磁体绕组20。热辐射屏蔽件12设置在OVC内，而固态绝热件14，如被称为超绝缘件(Superinsulat1n，RTM)的多层镀铝聚酯片可以设置在OVC内表面和热辐射屏蔽件的外表面之间。
[0010]如所图示，局部线圈冷却解决方案通常包括致冷剂容器22，致冷剂容器22设置有可接近转台24和外部冷冻器26，外部冷冻器26通过热总线28热连接到再凝结器(未示出)，再凝结器暴露于致冷剂容器22的内部。在替代装置中，冷冻器可以直接连接到致冷剂容器。致冷剂容器22提供冷却的，优选是液态的，致冷剂使之通过管30到达歧管32。歧管使冷却的致冷剂分布至冷却回路，冷却回路布置成与磁体的超导绕组热接触，该冷却回路根据常规和证据充分的热对流方法进行操作。
[0011]可以尝试进一步屏蔽磁体绕组20免受热辐射屏蔽件12内表面或其它表面发射的辐射热的影响。例如，磁体绕组可以缠绕在低发射率材料的带中。然而，这样的尝试都没有被发现是完全成功的。一直发现，一定量的热在各圈带之间前进，或以其它方式到达由带所屏蔽的结构。
[0012]到达热辐射屏蔽件内部的所有热量可以撞击在绕组本身上，并由绕组本身吸收。在这样的系统中使用的小型致冷剂贮存器本身可以涂覆在低热发射率的涂层上，但这样做将不会减少热辐射到超导绕组上的入射，不同于施加到常规致冷剂-浴装置的致冷剂容器的这种涂层。
[0013]因此，本发明的目的是提供一种改进的超导磁体冷却装置，其中降低了撞击到超导绕组本身上的热辐射入射。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]考虑到仅以非限制性示例方式给出的某些实施方式的以下描述，结合附图，本发明的这些和其它的目的、特征和优点将变得更加明显，其中:
[0015]图1示出常规超导磁体装置的横截面；和
[0016]图2-6示出根据本发明各实施方式的超导磁体装置的相应横截面。
【具体实施方式】
[0017]根据本发明，致冷剂容器设置在局部线圈冷却装置内，也就是在超导绕组不位于致冷剂容器内的地方，致冷剂容器在其外表面的相当一部分上具有高的热发射率表面，目标是最大化地吸收致冷剂容器的热辐射。
[0018]根据本发明的结构，如常规地，提供外真空室(OVC)、机械支撑件以及一个或多个热辐射屏蔽件。OVC及其真空将防止热潮通过对流到达超导绕组。机械支撑件的材料和尺寸将使通过传导到达超导绕组的热潮最小化，并且热辐射屏蔽件将减少通过辐射到达超导绕组的热潮。
[0019]然而，由热辐射屏蔽件内部发射的任何热辐射可以撞击在超导绕组上，并且由超导绕组吸收。根据本发明的示例实施方式，连同超导绕组存在于热辐射屏蔽件内的致冷剂容器以高发射率表面处理进行处理。这样的表面处理确保，撞击在致冷剂容器上的任何热辐射由致冷剂容器吸收，并且通过致冷剂的汽化而从系统中除去，致冷剂本身由冷冻器26随后再凝结，而不会被反射到超导绕组20上。
[0020]通过最大化热辐射(被致冷剂容器截取并吸收)在热辐射屏蔽件内的比例，由超导绕组吸收的比例得以减少。
[0021]吸收到致冷剂容器内的热量然后被设置用于冷却所使用冷却剂的装置除去，所述装置通常是热连接和机械连接28到致冷剂容器的再凝结冷冻器26。热辐射屏蔽件12的内表面可优选地具有低发射率表面，以最小化辐射到热辐射屏蔽件内的容积之中的热能。
[0022]在本发明的进一步改进中，致冷剂容器可以设计有最大化的表面积，以提高由致冷剂容器吸收的热辐射的比例。这可以通过例如高纵横比的几何形状、通过波纹表面或者通过更极端的措施，比如将翅片设置在其表面上来实现。当然，在适当的时候，这些方法也可以组合。
[0023]在某些实施方式中，致冷剂容器的视线暴露于超导体线圈的表面可以以低热发射率材料进行处理，而未如此暴露的表面可以以高热发射率材料进行处理。这可以避免可能发生在以下情况中的问题:高发射率表面因所接收的辐射而升温，并朝向超导体线圈再辐射热量。
[0024]根据用于构造致冷剂容器的材料、组装技术和表面涂层所需的机械韧性，可确定合适的表面处理、涂层或材料。如本领域技术人员所理解的，可以使用用于增加发射率的许多常规表面处理。可使用的示例表面处理可以包括表面的简单机械粗糙化，比如通过钢丝刷清理、如磨砂黑色漆的涂料、阳极氧化、涂覆碳黑(煤灰)。涂料的应用是最有可能的最简单方法，但由于在OVC内的真空空间中存在挥发性有机化合物，可能会出现问题。这样的挥发性化合物会蒸发，并使对流热传递到超导绕组。
[0025]图2图示穿过根据本发明实施方式的超导磁体冷却装置的横截面。这个特定实施方式对应于图1的结构，除了致冷剂容器22的外表面的至少相当一部分被处理成具有高热发射率的表面，如黑色涂料、炭黑或黑色阳极化铝。这代表了本发明的最简单实施方式，其中致冷剂容器的外表面的至少一部分被处理成具有比超导绕组表面的平均热发射率更高的热发射率。
[0026]图3图示穿过根据本发明另一实施方式的超导磁体冷却装置的横截面。根据本实施方式，如图1和2所示的常规的大致柱形的或“子弹形”致冷剂容器由表面积增加较多的致冷剂容器34所取代。如图所示，该致冷剂容器34的径向横截面大致是弧形的，部分是柱体。通过设置这样的致冷剂容器，超导磁体绕组20的一定比例因存在致冷剂容器而直接与入射热辐射隔离。此外，致冷剂容器的增加的表面积意味着，进入热屏蔽件12内部的更大比例的热辐射将被致冷剂容器的表面截获。致冷剂容器34外表面的至少相当一部分被处理成具有高发射率表面。
[0027]图4示出图3实施方式的示例性进一步改进，其中致冷剂容器的表面积增加。图示的示例使用导热翅片36，导热翅片36设置成与致冷剂容器热接触，并且使其表面的至少一部分被处理成提供高的热发射率。
[0028]可替代地或另外地，可以提供其它合适的装置，用于增加致冷剂容器的有效表面积。例如，致冷剂容器34表面的至少一部分可以是波纹状的。
[0029]本发明的操作方式是，布置致冷剂容器使其表面的至少一部分被处理成提供大于热辐射屏蔽件内的超导绕组表面的平均热发射率的热发射率。如此，热辐射被致冷剂容器吸收的概率增加，并通过设置用于冷却致冷剂容器的低温冷冻器26被有效地除去，而不是被超导绕组20吸收，在那里这样的加热可能会引起热不稳定性和熄灭。
[0030]以往，致冷剂容器将以低热发射率处理进行涂覆，这将意味着，入射热辐射将被反射掉，可能要被超导绕组吸收。根据本发明，入射热辐射优先被致冷剂容器吸收，从而减少由超导绕组20所吸收的热辐射的量。
[0031]致冷剂容器的常规表面处理，例如施加铝箔的涂层，通常提供小于0.1的热发射率。根据本发明，致冷剂容器表面积的相当一部分将具有表面处理，其表面热发射率比超导绕组的平均热发射率要大至少0.1。该相当一部分的热发射率可优选地具有至少0.5的热发射率，更可优选地至少0.8，并且仍更可优选地至少0.9。可优选地，相当一部分是致冷剂容器总表面积的至少30%，更可优选地是至少50%。
[0032]根据本发明，热辐射可以优先被致冷剂容器吸收，而不是超导绕组20。这可能会导致在液态致冷剂的温度下热负荷的增加。为了最小化到达超导绕组上的热负荷，这可以被认为是合理的。
[0033]虽然高热发射率的表面处理、材料和涂层的某些示例已经在上面的描述中提供，但许多其它示例是可能的。热发射率的材料特性通过原子级属性来确定，如化学组成和表面纹理。
[0034]常规的铝制热辐射屏蔽件可以具有约0.1的热发射率。纯清洁铝在大约4K的温度下具有约0.01的热发射率。铝涂覆的致冷剂容器的热发射率是相似的。本发明被认为提供了显著的改进，在于显著增加了热辐射的吸收，只要致冷剂容器表面的显著部分的表面发射率(在O与I之间的规模)比超导绕组的平均热发射率要大至少0.1即可。
[0035]用于本发明致冷剂容器的合适材料、处理或涂层的其它示例包括:
[0036]失去光泽的铜
[0037]拉丝不锈钢
[0038]失去光泽的不锈钢，通过在富氧环境下加热而形成
[0039]拉丝、喷沙或喷砂不锈钢
[0040]竹炭布
[0041]棉布
[0042]精致的不锈钢毛
[0043]硬的黑色阳极氧化铝
[0044]氧化铝、火焰或等离子体喷涂到不锈钢或铝表面上。
[0045]可以通过用携带相关材料的胶带涂覆相应表面来应用这些处理的一些。
[0046]在如图5-6图示的本发明的其它实施方式中，可以提供冷却表面，而不是致冷剂容器或者除致冷剂容器之外。在某些超导磁体系统中，根本没有提供致冷剂容器。确切地，可以被称为母线的固体热导体28、40将冷冻器26连接到超导绕组20。通常情况下，采用两级冷冻器，其中一个母线42或编织物等将第一冷却级连接到热辐射屏蔽件12，而另一母线将第二冷却级连接到超导绕组20。
[0047]冷却表面44可以与超导绕组20放置在热辐射屏蔽的容积内。冷却表面应该在其表面的至少一部分上被处理，以具有高的发射率表面，从而吸收可能以类似于上述用于热辐射容器的方式存在于热辐射屏蔽件内的热辐射。
[0048]如图5图示的，冷却表面44可以采取柱体的形式，其尺寸类似于参考图2所讨论的致冷剂容器。可替代地，如图6所示，冷却表面46可以是任何方便的形状，比如平面的或弧形的，类似于图4所示的致冷剂容器。冷却表面必须是在低温下具有良好热传导性的材料，如铝或铜。在一个实施方式中，冷却表面可以采取一个或多个箍的形式，其轴向地定位在超导磁体的绕组20之间。在这样的位置中，冷却表面可以吸收热辐射屏蔽件内的热辐射，但它们的位置将防止它们显著地放热到超导绕组20上。
[0049]在具有这样的冷却表面的任何装置中，冷却表面在操作温度下的热发射率比至少一个超导绕组的平均表面发射率要大至少0.1，具有超导绕组表面积的至少20%面积，并且可优选地具有超导绕组表面积的至少50%。
【权利要求】
1.一种超导磁体设备，包括: -至少一个超导绕组(20)； -外真空室(OVC) (10)，容纳所述至少一个超导绕组(20)； -至少一个热辐射屏蔽件(12)，位于所述至少一个超导绕组(20)和所述OVC(1)之间； -致冷剂容器(22)，定位在所述至少一个热辐射屏蔽件(12)内，并且定位在所述OVC(1)内，所述至少一个超导绕组(20)定位在所述致冷剂容器(22)的外部； -至少一个冷冻器(26)，可操作成将所述致冷剂容器(22)冷却到液态致冷剂温度，并且布置成将所述至少一个热辐射屏蔽件(12)中的每个冷却到介于所述液态致冷剂温度和所述OVC的温度之间的中间温度， 其特征在于，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分在所述液态致冷剂温度下具有比所述至少一个超导绕组的平均表面发射率要大至少0.1的热发射率。
2.根据权利要求1所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分包括所述致冷剂容器(22)的外表面的至少30%。
3.根据权利要求2所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分包括所述致冷剂容器(22)的外表面的至少50%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分在所述液态致冷剂温度下的热发射率为至少0.5。
5.根据权利要求4所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分在所述液态致冷剂温度下的热发射率为至少0.8。
6.根据权利要求5所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分在所述液态致冷剂温度下的热发射率为至少0.9。
7.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器的表面是波纹状的。
8.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器的表面设置有导热翅片，所述导热翅片使所述致冷剂容器的表面的至少一部分被处理成提供高的热发射率。
9.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述致冷剂容器的视线暴露于超导绕组的表面在所述液态致冷剂温度下具有相对低的热发射率表面，而未如此暴露的表面在所述液态致冷剂温度下具有更高的热发射率，比所述至少一个超导绕组的平均表面发射率要大至少0.1。
10.一种超导磁体设备，包括: -至少一个超导绕组(20)； -外真空室(OVC) (10)，容纳所述至少一个超导绕组(20)； -至少一个热辐射屏蔽件(12)，位于所述至少一个超导绕组(20)和所述OVC(1)之间； -冷却表面(44)，定位在所述至少一个热辐射屏蔽件(12)内，并且定位在所述OVC (10)内； -至少一个冷冻器(26)，可操作成将所述冷却表面(44)、所述至少一个超导绕组冷却到可以进行超导的温度，并且将所述至少一个热辐射屏蔽件(12)中的每个冷却到介于超导线圈的温度和所述OVC的温度之间的中间温度， 其特征在于，所述冷却表面的相当一部分在液态致冷剂温度下具有比所述至少一个超导绕组的平均表面发射率要大至少0.1的热发射率。
11.根据权利要求10所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的相当一部分具有所述超导绕组的表面积的至少20%的表面积。
12.根据权利要求11所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的相当一部分具有所述超导绕组的表面区域的至少50%的表面积。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的相当一部分的热发射率为至少0.5。
14.根据权利要求13所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的相当一部分的热发射率为至少0.8。
15.根据权利要求14所述的超导磁体设备，其中，致冷剂容器(22)的外表面的相当一部分在所述液态致冷剂温度下的热发射率为至少0.9。
16.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的表面是波纹状的。
17.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面设置有导热翅片，所述导热翅片使所述冷却表面的表面的至少一部分被处理成提供高的热发射率。
18.根据前述任一权利要求所述的超导磁体设备，其中，所述冷却表面的视线暴露于超导绕组的部分具有相对低的热发射率，而未如此暴露的表面具有更高的热发射率，比所述至少一个超导绕组的平均表面发射率要大至少0.1。
【文档编号】G01R33/3815GK104335063SQ201380028887
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2012年6月12日
【发明者】R.P.戈尔 申请人:英国西门子公司