一种超导磁体快速冷却系统的制作方法

本实用新型涉及超导技术领域，具体涉及一种超导磁体快速冷却系统。

背景技术：

超导磁体系统可以提供高稳定性、高场强的磁场，是MRI（magnetic resonance imaging，磁共振成像）等设备的首选磁体系统。超导磁体系统通常需要在低于液氮温度77 K（-196.15 ℃）乃至液氦温度4.2 K（-268.95 ℃）的低温环境才能实现正常功能，而将其由室温冷却至如此低的温区需要消耗大量资源，是超导磁体的主要运行成本，限制了其广泛应用。

目前最普遍的超导磁体冷却方法是使用低温液体浸泡降温至超导温度，可通过在磁体外围安装贮液槽并充注液氮或液氦等进行冷却。这种方法虽然看似操作方便、结构简单，但是资源损耗极大、成本极高，尤其是对于MRI磁体等冷量需求较大的磁体而言，缺陷尤为明显。另有一种较常用的方法是将脉管制冷机等回热式低温制冷机的冷端与磁体使用金属导热带等固体连接，通过导热的方式传递冷量将磁体冷却，不过由于这种方法中制冷机需要与磁体距离很近，引线焦耳热、运行振动、磁体温度均匀性以及电磁干扰等问题比较突出，对于体积较大的超导磁体，这种固体连接导热的方式导致的温度不均匀性愈发明显。

CN106558392A发明，提出了一种在超导线圈两侧布置多层导冷片的冷却方法，冷量经由穿过导冷片的低温热管传递，进而冷却超导线圈。这种方法虽然在一定程度上解决了传统冷却方法中超导磁体温度分布不均的问题，但是需要对磁体线圈的结构进行较为繁琐的改造，实施难度大，对磁体正常的安装、工作也会产生影响。CN201510236104发明，提出了一种超导磁体冷却系统，建立了液氦循环流动的管路系统来冷却磁体，冷量由制冷温度可达液氦温区的低温制冷机提供。这种方法虽然有效隔离了制冷机对磁体的振动及电磁干扰，但液氦需求量较高，资源消耗较大，而且由于现有低温制冷机技术的限制，此类液氦温区的制冷机冷量普遍很小，系统降温速率较慢。

技术实现要素：

为克服现有超导磁体冷却技术的不足，解决冷却过程中磁体温度不均匀、制冷机振动和电磁干扰、资源损耗及成本高昂等问题，本实用新型提供一种超导磁体快速冷却系统。

一种超导磁体快速冷却系统，包括制冷机单元、冷却对象单元、动力控制单元以及补气单元，各单元通过耐低温绝热管路连接，其中制冷机单元、冷却对象单元以及动力控制单元构成一个循环管路，补气单元旁接于该循环管路并提供气源；所述的制冷机单元用于输出冷量，气体工质流经此单元被冷却；所述的冷却对象单元用于接入冷却对象并实现低温气体工质与高温磁体的对流换热；所述的动力控制单元提供气体工质的循环动力并进行流量控制；所述的补气单元用于为系统充入高纯度气体工质并在运行过程中随时调节循环气体的压力。

所述的超导磁体快速冷却系统，所述的制冷机单元包括制冷机，制冷机单元的管路分别与制冷机冷端换热器的进出口连接，气体在制冷机的冷端降温，是磁体的冷量来源；所述的冷却对象单元包括待冷却磁体，冷却对象单元的进口与制冷机单元出口通过管路连接，由制冷机冷却后的气体流经待冷却磁体实现降温；所述的动力控制单元包括低温风机、低温阀、安全阀，动力控制单元布置在冷却对象单元的出口，其中低温风机和低温阀依次由管路串联，分别用于提供气体循环动力以及流量调节；所述的补气单元包括补气电磁阀、气体容器，通过控制补气电磁阀的启闭以及气体容器的气源压力，为系统充注气体工质并在运行过程中随时调节循环气体的压力，补气电磁阀安装于气体容器出口。

所述制冷机选用回热式低温制冷机，所述的回热式低温制冷机包括斯特林制冷机、GM制冷机等。

所述待冷却磁体包括MRI（magnetic resonance imaging，磁共振成像）低温超导磁体，外部由气体换热流道包裹，进出口与管路之间采用易拆装的连接方式，便于更换。

所述的循环管路设有抽气阀并与管内气体流道连通，安装位置根据实际情况调整，用于在系统开机前抽出系统内部的空气并进行气体置换，保证系统内部气体工质的纯度。

所述低温风机和低温阀设于一个具有隔热功能的泵阀箱中。

所述的安全阀安装于管路壁面上并与管内气体流道连通，初始为常闭状态，当管内气压超过设定压力值后开启并向外界常压环境排气，可防止系统压力超过安全压力。

所述的补气电磁阀安装于气体容器出口，监测循环管路内气体压力并控制气体容器与循环管路之间的连通状态。

所述的泵阀箱及管路采用真空绝热结构。

与现有技术相比，实用新型具有以下有益效果：

（1）本实用新型可使制冷机远离待冷却磁体，进而隔离制冷机引入的振动、焦耳热影响，减小对磁体的电磁干扰；

（2）本实用新型以气体为冷量传递介质，气体在磁体外围的换热流道内通过对流换热完成冷却，磁体温度均匀性较高，具有较快的冷却速率，而且冷却速率可通过调节制冷机输入功率及气体工质的流速、压力等参数实现可控；

（3）本实用新型不需要使用液氮、液氦等低温液体，可减小传统冷却方法中液氮和液氦等低温液体的损耗，大量节省资源、降低成本。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明：

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：1-制冷机单元，2-冷却对象单元，3-动力控制单元，4-补气单元，

1.1-制冷机，2.1-待冷却磁体，3.1-低温风机，3.2-低温阀，3.3-安全阀，4.1-补气电磁阀，4.2-气体容器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步详细描述。

一种超导磁体快速冷却方法，通过搭建环形循环管路，以气体为冷量传递介质，将制冷机输出的冷量携带到超导磁体处，以对流换热的方式将超导磁体冷却，制冷机与超导磁体之间通过管路隔离，以避免制冷机运行中的电磁干扰和振动影响，循环管路旁接支路以向管路内充注高压气体，并在降温过程中补气。

图1所示为本实用新型一种超导磁体快速冷却系统的一较佳实施方式。

一种超导磁体快速冷却方系统，包括制冷机单元1、冷却对象单元2、动力控制单元3以及补气单元4，各单元通过耐低温绝热管路连接，其中制冷机单元1、冷却对象单元2以及动力控制单元3构成一个循环管路，补气单元4旁接于该循环管路并提供气源。制冷机单元1用于输出冷量，气体工质流经此单元被冷却；冷却对象单元2用于接入冷却对象并实现低温气体工质与高温磁体的对流换热；动力控制单元3可以提供气体工质的循环动力并进行流量控制；补气单元4用于为系统充入高纯度气体工质并在运行过程中随时调节循环气体的压力。

所述的制冷机单元1包括制冷机1.1，制冷机单元1的管路分别与制冷机1.1冷端换热器的进出口连接，气体在制冷机1.1的冷端降温，是磁体的冷量来源；

所述的冷却对象单元2包括待冷却磁体2.1，冷却对象单元2的进口与制冷机单元1出口通过管路连接，由制冷机1.1冷却后的气体流经待冷却磁体2.1实现降温；

所述的动力控制单元3包括低温风机3.1、低温阀3.2、安全阀3.3，动力控制单元3布置在冷却对象单元2的出口，其中低温风机3.1和低温阀3.2依次由管路串联，分别用于提供气体循环动力以及流量调节；

所述的补气单元4包括补气电磁阀4.1、气体容器4.2，通过控制补气电磁阀4.1的启闭以及气体容器4.2的气源压力，为系统充注气体工质并在运行过程中随时调节循环气体的压力，补气电磁阀4.1安装于气体容器4.2出口。

具体地，制冷机单元1包括制冷机1.1，可选用斯特林制冷机、GM制冷机等回热式低温制冷机，也可以采用其他型式的低温制冷机。

优选地，制冷机1.1可根据冷量及降温速率的要求选用多台制冷机串联工作。

优选地，系统循环管路上可安装抽气阀并与管内气体流道连通，提供接口连接外部设备以抽出系统内部的气体杂质，其安装位置无特定要求，可以根据实际情况调整。在开机运行前，为去除杂质以确保气体工质纯度，可使用抽气阀将系统内部抽真空至一定的真空度后再充气进行气体置换。

具体地，安全阀3.3用于保证系统内气压不会超压，初始为常闭状态，当管内气压超过设定压力值后开启并向外界常压环境排气。

优选地，开始运行时可以首先开启低温风机3.1确保气体工质在循环管路内正常循环流动，并通过低温阀3.2调整气体工质的流速，之后开启制冷机1.1开始降温。

优选地，低温风机3.1和低温阀3.2的功能可以通过单独设立泵阀箱来实现，泵阀箱同时需要具有隔热功能，以降低系统最低降温温度、加快系统降温速率，泵阀箱结构可采用真空多层绝热等结构以实现高效绝热。

具体地，补气单元4包括补气电磁阀4.1，用于根据压力信号控制气体容器4.2与循环管路的连通与切断，进而实现系统充气以及运行过程中循环气体压力的随时调节。

具体地，气体容器4.2用于向系统提供高压气源，可选用氦气、氮气等在降温过程中可以保持单相气体状态并具有较好换热性能的气体。

优选地，系统各部件的连接管路可使用真空管等结构，以减小外界室温环境对管内低温气体的漏热。