一种高温超导磁体导冷装置的制作方法

本实用新型属于高温超导磁体传导制冷技术领域，具体涉及一种高温超导磁体导冷装置。

背景技术：

随着G-M制冷技术的发展，G-M制冷机的制冷量和功率不断提高，目前对超导磁体的制冷逐渐由对流制冷向固体直接接触制冷（传导制冷）的方式转变，现有传导制冷装置存在以下不足：温度梯度大，冷传导速度较慢。

另外，高温超导磁体一般是钇系和铋系等具备较高超导温度的超导材料制成的，属于高温氧化物陶瓷，具有较大的脆性，通常将这些超导氧化物沉积在柔性金属基带上，然后再将这些超导带材进行绝缘处理，最后将它们缠绕在设计好的基准支撑骨架上。绕制完成后的超导磁体线圈在励磁电流的作用下，会发生一定的位移，严重的话会产生失超现象，影响超导稳定性，为了避免出现超导失稳现象，通常的做法是：在线圈绕制完成后，利用环氧树脂将线圈进行浸渍固化，使磁体线圈之间的微小间隙充满环氧树脂，让整个线圈固化成一个紧密的整体，以增强了超导线圈磁体的连接强度，保证超导线圈磁体的良好绝缘效果。所以环氧树脂的作用非常关键，一方面增强了磁体线圈的连接强度，另一方面需要将冷量或者热量快速的传输。比如，当失导现象发生时，需要环氧树脂良好的导热性，快速将热量传送出去，降低失导所发生的风险，所以进一步增强环氧树脂的导热性至关重要。但是环氧树脂的导热率不高，在低温情况下，其综合性能较差，目前主要是将纳米粒子作为填充剂与环氧树脂进行复合，以来改变环氧树脂的综合性能，通常作为填充剂的纳米粒子有碳纳米管、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛等，但这些纳米粒子在作为填充剂改性的过程中容易发生团聚，导致其在基体中分布不均匀，进而引起复合材料的综合性能下降。因此针对高温超导磁体浸渍绝缘所用的环氧树脂在超导过程中所起到的导冷和散热的作用，研发一种高温超导磁体浸渍绝缘所用新型复合材料，成为了高温超导磁体制冷技术需要解决的难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种冷传递时的温度梯度小、冷传导速度快的高温超导磁体导冷装置。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种高温超导磁体导冷装置，包括超导磁体、上导冷板、下导冷板、内导冷柱、外导冷柱和中间导冷柱，所述上导冷板和下导冷板形状、结构相同，均为具有中心圆孔的圆盘，圆盘上设有围绕中心圆孔、沿圆周均匀分布的用于内导冷柱竖直穿入的内连接孔，靠近圆盘边缘设有沿圆周均匀分布的用于外导冷柱竖直穿入的外连接孔；所述中心圆孔用于中间导冷柱竖直穿入，所述上导冷板和下导冷板之间设有中间层导冷板，所述中间层导冷板结构与上导冷板和下导冷板结构相同，所述内导冷柱与外导冷柱之间形成环形空隙，所述上导冷板、中间层导冷板和下导冷板将环形空隙分割成多层，所述超导磁体设置在相邻导冷板之间的环形空隙内。

所述超导磁体采用铜材质，超导磁体为经纳米钻石烯-环氧树脂进行浸渍绝缘处理的超导磁体。

所述上导冷板上方连接有上固定板，所述下导冷板下方连接有下固定板，所述上固定板、下固定板形状、结构相同，均为设有中心圆孔的圆盘，圆盘上设有沿中心圆孔圆周均匀分布的用于内导冷柱竖直穿入的内连接孔。

所述中间导冷柱包括中上导冷柱和中下导冷柱，所述中上导冷柱和中下导冷柱纵截面均为T型结构，中上导冷柱和中下导冷柱的竖端伸入中心圆孔并与中心圆孔间隙配合连接，横端为圆形结构，上固定板和下固定板的横端上设有与上固定板、下固定板的内连接孔相应的螺孔；所述中上导冷柱的横端顶部设有用于连接导冷铜带的开口槽；所述中下导冷柱的横端顶部设有用于连接导冷铜带的开口槽，所述导冷铜带另一端连接制冷机。

所述中上导冷柱的竖端底部为锥形凹槽结构；所述中下导冷柱的竖端底部为与所述锥形凹槽相适配的锥形凸起结构。

所述内导冷柱与内连接孔焊接连接，内导冷柱两端连接有螺栓，所述螺栓伸出所述螺孔并通过螺母固定。

所述外导冷柱与外连接孔过盈配合连接。

所述导冷铜带与开口槽焊接连接。

所述内导冷柱、外导冷柱、中间导冷柱、上导冷板、下导冷板和中间层导冷板均采用纯铜材质。

所述上固定板、下固定板采用不锈钢材质。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型通过采用导冷铜带连接制冷机的冷头与中上导冷柱、中下导冷柱，实现制冷机进行直接接触制冷，即制冷机将冷量通过导冷铜带同时传递给中上导冷柱和中下导冷柱，减少冷量传递时的温度梯度，因超导磁体中间的中上、中下导冷柱具有较大的质量，故可以储存较大的冷量，同时还具有热沉的作用；中上导冷柱和中下导冷柱将接收到的冷量传递给导冷板、内导冷柱和外导冷柱对超导磁体进行冷却，由于导冷板通过内、外导冷柱固定在相邻的超导磁体之间，以及内、外导冷柱的均匀分布在中上导冷柱和中下导冷柱圆周外，一方面使得超导磁体均匀受冷，冷传导速度快，保证了超导磁体运行的稳定性；另一方面，提高了导冷装置的整体结构强度；

2、本实用新型中的超导磁体为经纳米钻石烯-环氧树脂进行浸渍绝缘处理的超导磁体，纳米钻石烯-环氧树脂复合材料具有良好的热性能和力学性能，把这种复合材料作为超导磁体的浸渍绝缘材料，不但提高了超导线圈的冷却效率，达到快速降温的目的，而且使浸渍固化后的超导磁体整体强度得到了提高，避免了线圈在反复励磁电流作用下产生移动的可能性，达到良好的固化作用，再者也可以把线圈失导或异常时产生的局部热量快速传递出去，降低失导风险；纳米钻石烯与其它的纳米增强相粒子相比，不容易团聚，易分散，不会出现与基体树脂界面相容性差的现象，同时也不会导致其力学性能的降低，将纳米钻石烯作为增强剂添加到环氧树脂中，可以提高环氧树脂的韧性、抗疲劳性、抗冲击性能；

3、本实用新型中的中上导冷柱和中下导冷柱端部锥型配合，有助于保持中上导冷柱和中下导冷柱的整体同轴度；

4、本实用新型中的内导冷柱与导冷板内连接孔焊接连接，导冷板通过内导冷柱固定，内导冷柱两端的螺栓伸出固定板螺孔，通过螺母与上固定板和下固定板连接，外导冷柱与导冷板的外连接孔过盈配合连接，结构设计简单，整体结构强度大。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中的上导冷板的结构示意图。

图中，上固定板1、下固定板2、上导冷板3、下导冷板4、中间层导冷板5、中上导冷柱6、开口槽61、中下导冷柱7、内导冷柱8、外导冷柱9、超导磁体10。

具体实施方式

本实用新型公开了一种高温超导磁体导冷装置，如图1-2所示，包括上固定板1、下固定板2、导冷板、导冷柱和超导磁体10，其中，上固定板1和下固定板2采用不锈钢材质制备；导冷柱、导冷板和超导磁体10均采用纯铜材质制备，超导磁体10为经纳米钻石烯-环氧树脂进行浸渍绝缘处理的超导磁体10，纳米钻石烯-环氧树脂复合材料具有良好的热性能和力学性能，把这种复合材料作为超导磁体10的浸渍绝缘材料，不但提高了超导磁体10的冷却效率，达到快速降温的目的，而且使超导磁体10整体强度得到了提高，避免了超导磁体10绕组线圈在反复励磁电流作用下产生移动，达到良好的固化作用，再者可以把线圈失导或异常时产生的局部热量快速传递出去，降低失导风险；纳米钻石烯与其它的纳米增强相粒子相比，不容易团聚，易分散，不会出现与基体树脂界面相容性差的现象，同时也不会导致其力学性能的降低，将纳米钻石烯作为增强剂添加到环氧树脂中，可以提高环氧树脂的韧性、抗疲劳性、抗冲击性能，进而提高经纳米钻石烯-环氧树脂浸渍绝缘处理后的超导磁体10的整体强度。

导冷板包括一个上导冷板3、一个下导冷板4和三个中间层导冷板5，上导冷板3、下导冷板4和中间层导冷板5形状、结构相同，均为设有中心圆孔的圆盘，圆盘上设有围绕中心圆孔、沿圆周均匀分布的内连接孔，靠近圆盘边缘具有沿圆周均匀分布的外连接孔；各导冷板上的中心圆孔、内连接孔和外连接孔的垂直投影重合。

上固定板1位于上导冷板3上方，下固定板2位于下导冷板4下方，上固定板1、下固定板2形状、结构相同，均为设有中心圆孔的圆盘，圆盘上设有围绕中心圆孔、沿圆周均匀分布的内连接孔，上固定板1、下固定板2的中心圆孔、内连接孔的垂直投影与导冷板上的中心圆孔、内连接孔的垂直投影重合。

导冷柱包括中上导冷柱6、中下导冷柱7、内导冷柱8和外导冷柱9，中上导冷柱6和中下导冷柱7纵截面均为T型结构，中上导冷柱6和中下导冷柱7的横端为圆形结构，中上导冷柱6和中下导冷柱7的竖端伸入中心圆孔并与中心圆孔间隙配合连接，其中，中上导冷柱6的竖端底部为锥形凹槽结构，中下导冷柱7的竖端底部为与锥形凹槽相适配的锥形凸起结构，中上导冷柱6和中下导冷柱7端部锥型配合，有助于保持中上导冷柱6和中下导冷柱7的整体同轴度。中上导冷柱6和中下导冷柱7的横端沿圆周均设有与上固定板1、下固定板2的内连接孔相应的螺孔。内导冷柱8穿入导冷板、上固定板1、下固定板2上相应的内连接孔，内导冷柱8与内连接孔焊接连接，内导冷柱两端连接有螺栓，螺栓伸出中上导冷柱6、中下导冷柱7上的螺孔，通过螺母进行固定。外导冷柱9穿入导冷板上相应的外连接孔，外导冷柱9与外连接孔过盈配合连接，由于中上导冷柱6和中下导冷柱7位于超导磁体10中间，导冷板与超导磁体10间隔设置，导冷板通过内、外导冷柱（8，9）固定在相邻的超导磁体10之间，并且超导磁体10位于内导冷柱8和外导冷柱9形成的环隙之间，使得超导磁体10均匀受冷，冷传导速度快，保证了超导磁体10运行的稳定性；同时，提高了导冷装置的整体结构强度。

中上导冷柱6的横端顶部设有用于连接导冷铜带的开口槽61，中下导冷柱7的横端顶部设有用于连接导冷铜带的开口槽61，导冷铜带另一端连接制冷机，导冷铜带与开口槽61焊接连接。

工作原理：制冷机将冷量通过导冷铜带同时传递给中上导冷柱6和中下导冷柱7，中上导冷柱6和中下导冷柱7将接收到的冷量传递给内导冷柱8、导冷板和外导冷柱9，对超导磁体10进行冷却。本实用新型采用制冷机进行直接接触制冷，具有冷传递时的温度梯度小、冷传导速度快的优点。

本实用新型中的内导冷柱8、外导冷柱9和中间层导冷板5的数量，可以根据需要，合理设置。

纳米钻石烯-环氧树脂的制作工艺步骤如下：

1）选用粒度分别为：100nm、200nm、300nm，质量比控制为(1-2)：(3-4)：(4-5)的纳米钻石烯；

2）对步骤1）中选取的纳米钻石烯进行活化处理

（2.1）超声波碱洗：将纳米钻石烯倒入浓度为10%-12%的氢氧化钠溶液中，同时以40-45 KHz的超声频率进行超声清洗，溶液温度控制在50-55℃之间，搅拌速度为35-40rpm，超声清洗时间为25-30min；

（2.2）超声波清洗：将（2.1）步骤处理过的钻石烯放入去离子水溶液中进行超声清洗，超声频率为30-40KHz，同时以10-20rpm的搅拌速度进行搅拌，搅拌时间15-20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

（2.3）酸洗活化：配置浓度为20%-30%的稀硝酸溶液，将步骤2.2中处理过的纳米钻石烯放入稀硝酸溶液，溶液温度25-30℃左右，搅拌速度20-30rpm，搅拌时间15-20min；

（2.4）超声波水洗：将（2.3）步骤中处理过的纳米钻石烯放入去离子水中，同时加以30-35 KHz的超声频率，并以10-20 rpm的搅拌速度进行搅拌，搅拌时间15-20min，测量上层清液pH值，反复清洗直至pH=7；

3）配比与混合

（3.1）环氧树脂与纳米钻石烯的添加比例为1：（0.03-0.07），丙酮的添加比例为环氧树脂的20-25%；

（3.2） 将环氧树脂、纳米钻石烯、丙酮按照（3.1）步骤中的比例进行混合，温度为30-50℃，超声分散5-6h，电动搅拌器以800-900 r/min的速度搅拌5-6h；

（3.3）然后加入一定量的三乙烯四胺固化剂，再次进行搅拌均匀。

4）固化成型

将超导磁体用步骤3）中制备的纳米钻石烯-环氧树脂进行浸渍绝缘处理。