一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，具体的是应用在40-T级混 合磁体外超导磁体上一种高强度环氧筒式为主体的支撑装置。
【背景技术】
[0002] "十一五"国家重大科学工程"稳态强磁场实验装置"的建设，其目标之一是建设 一台40-T级稳态混合磁体实验装置，该装置建成将成为国内产生最高稳态磁场的实验装 置，将为我国在材料科学、化学、生物等学科的前沿研究提供强有力的实验平台。40-T级 混合磁体由外超导磁体和内水冷磁体组成，其中：内水冷磁体采用"Florida-Bitter"类型 的有阻磁体并在032 mm室温孔径内产生33-34T中心场强；外超导磁体采用Nb3Sn CICC (Cable-in-Conduit Conductor)导体进行连续绕制并在4. 5K温度下运行可产生11 T中心 场强并为水冷磁体提供0800 mm安装孔径。
[0003] 外超导磁体支撑装置是混合磁体外超导磁体系统中连接超导线圈和杜瓦底座的 关键部件，它起到支撑线圈自身重力以及传递线圈所产生的各种电动力载荷的作用。这 些电动力载荷主要由于超导磁体与水冷磁体之间的加工与装配尺寸误差导致它们的磁 中心不重合而引起，这些误差可分为轴向误差（AZ)、径向误差（AR)和中心轴夹角误差 (A 0 )。轴向误差可引起线圈之间沿轴向电动力Fz，径向误差可引起径向电动力？1?，中心轴 夹角误差可引起倾覆力矩M e。另外还可能是由于水冷磁体中Bitter片大范围短路，如一 半水冷磁体失效这种特殊情况的发生，这会使水冷磁体磁中心沿轴向产生较大偏差，从而 使超导磁体产生巨大轴向电动力（约270吨拉/压载荷）；等等。这些复杂的组合载荷需要 通过支撑装置传递至杜瓦底座。此外，该支撑装置同时连接着4. 5K低温端（即超导磁体)和 常温端（即杜瓦底座)，两个端面之间有很大温度梯度，它作为导热媒介会对4. 5K低温端产 生较大传导漏热，这样额外地增加了氦制冷机的能力与运行成本。因此，外超导磁体支撑装 置不仅要有足够的机械强度以保证超导磁体在各种工况下的安全稳定运行，同时还要尽量 减少其对超导磁体4. 5K低温端产生的漏热量。
[0004] 一种40-T级混合磁体外超导磁体高强环氧筒式支撑装置，充分考虑了高强度与 低漏热相结合的原则，一方面可为混合磁体外超导磁体提供有效且可靠的支撑，以保证超 导磁体能够正常运行；另一方面最大程度上降低了对外超导磁体4. 5K液氦温区的传导漏 热，并使其漏热量控制在合理范围。目前国外如美国国家强磁场实验室45T混合磁体外超 导磁体系统中支撑装置采用变截面的筒式高强不锈钢结构，该结构保证具有足够的强度但 漏热量较大；目前国内并未研制出同类型超导磁体系统，已有的少数大型超导磁体系统，如 EAST超导托卡马克实验装置中纵场超导磁体系统采用16个分离的高强不锈钢板式与环氧 筒式相结合的柔性结构；因此本发明的超导磁体支撑装置可为以后其他类似的承受各种复 杂载荷的大型超导磁体系统支撑结构的研制提供很好的借鉴。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的为40-T级混合磁体外超导磁体提供一种高强度低漏热支撑装置， 首先解决40-T级混合磁体外超导磁体在正常运行和故障态时所受到的巨大的电磁力对磁 体系统造成负面影响的问题，以提高机械稳定性和运行稳定性；其次最大程度上减少对液 氦温区的传导漏热，以最经济的方式降低运行成本。
[0006] 本发明采用的技术方案是： 一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：包括有上端板、环氧支撑筒、下 端板、液氮冷却管路，上端板的下端面上垂直设有上环形衬板、上环形内侧连接板，上环形 衬板的内径大于上环形内侧连接板的内径，上环形衬板与上环形内侧连接板之间留有缝 隙；下端板的上端面上垂直设有下环形衬板、下环形内侧连接板，下环形衬板的内径大于下 环形内侧连接板的内径，下环形衬板与上环形内侧连接板之间留有缝隙；环氧支撑筒的上、 下端内侧分别设有环形凸起，两个环形凸起中分别设有不锈钢圆环，上、下环形内侧连接板 的外侧壁上分别设有与环氧支撑筒上的环形凸起相配合的环形凹槽；上环形衬板、上环形 内侧连接板与下环形衬板、下环形内侧连接板分别通过螺栓、抗剪定位销卡设在环氧支撑 筒的上、下端；环氧支撑筒中部设有液氮冷却管路。
[0007] 所述的一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：所述的螺栓采用两 组共48个M24mm六角头铰制孔用螺栓，抗剪定位销采用两组共24个020mm抗剪定位销。
[0008] 所述的一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：所述的上、下环形衬 板和上、下环形内侧连接板从环氧支撑筒内部安装，并在圆周向分成六个金属弧段进行分 段安装，安装完毕后对金属弧段之间易于焊接的位置采用断续加强焊焊接成一体。
[0009] 所述的一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：所述的液氮冷却管 路由两个矩形截面的半圆形管路组成，并设置有两进两出管口用于与外超导磁体80K冷屏 的主氮路连接；液氮冷却管路放置在靠近环氧支撑筒的室温端的一端，即放置在离环氧支 撑筒的室温端距离为240mm处，并采用螺栓夹紧和常温固化环氧胶粘接固定在环氧支撑筒 外侧。
[0010] 所述的一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：所述的上、下端板上 各设置24个033mm螺栓通孔和2个024mm定位销孔，可与外超导磁体下端板及外超导磁体 杜瓦底座进行连接与固定。
[0011] 所述的一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其特征在于：所述的环氧支撑筒 是以多方向交叉铺设的高强玻纤为增强基体的复合材料制成的环氧支撑筒。
[0012] 本发明的高强度低漏热的支撑装置用于40-T级混合磁体外超导磁体结构中，通 过对多次经过室温与77K液氮温度"冷热循环"后的支撑装置进行各种载荷工况(见表1)及 其组合载荷工况的测试以及传热测试，表明该结构的承载能力能够达到了实际使用要求并 具有足够的安全裕度且对外超导磁体4. 5 K低温端的漏热量仅为11. 33W。
[0013] 表1、超导磁体支撑结构的各种载荷工况
本发明的优点是： 本发明起到支撑外超导磁体自身重力以及承担与传递外超导磁体在正常运行时和故 障态下所产生的各种电动力载荷的作用，同时最大程度上降低了对外超导磁体4. 5K液氦 温区的传导漏热。
[0014] 本发明的支撑装置主体采用高强玻纤为增强基体的环氧支撑筒式结构，其高强玻 纤采用多方向交叉铺设，能够承受复杂的组合载荷。
[0015] 本发明中环氧支撑筒与金属部件的连接采用包纳方式，环氧支撑筒上下端头优化 设计为圆弧形结构，其圆弧形中心放置不锈钢圆环，来提高传递承拉时所受载荷的能力。
[0016] 本发明的超导磁体支撑装置保证了强度的同时减少了漏热量，结构简单、紧凑，重 量轻且安全可靠。
[0017]
【附图说明】： 图1为本发明一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置主体结构示意图。
[0018] 图2为图1的A部放大结构示意图。
[0019] 图3为图1的B部放大结构示意图。
[0020] 图4为本发明超导磁体支撑装置中环氧支撑筒部件示意图。
[0021] 图5为本发明超导磁体支撑装置中环氧支撑筒制造时成型模具结构示意图。
[0022] 图6为本发明超导磁体支撑装置中环氧支撑筒制造时玻璃纤维布铺层工艺示意 图。
[0023] 图7为本发明的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明： 实施例1:图1、2、3、7所示为一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置主体结构示意图。 一种高强度低漏热的超导磁体支撑装置，其主体结构主要包括：上端板1、上环形衬板2、上 环形内侧连接板3、M24mm六角头铰制孔用螺栓4、020mm抗剪定位销5、环氧支撑筒6、下环 形衬板7、下环形内侧连接板8、下端板9和液氮冷却管路10,上端板1的下端面上垂直设有 上环形衬板2、上环形内侧连接板3,上环形衬板2的内径大于上环形内侧连接板3的内径， 上环形衬板2与上环形内侧连接板3之间留有缝隙；下端板9的上端面上垂直设有下环形 衬板7、下环形内侧连接板8,下环形衬板7的内径大于下环形内侧连接板8的内径，下环形 衬板7与上环形内侧连接板8之间留有缝隙；环氧支撑筒6的上、下端内侧分别设有环形凸 起11，两个环形凸起11中分别设有不锈钢圆环12,上、下环形内侧连接板3、8的外侧壁上 分别设有与环氧支撑筒6上