一种基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体制冷装置的制作方法

本发明涉及低温超导传导制冷领域，主要涉及一种基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体高效制冷结构。

背景技术：

超导质子治疗系统是国际上新型治愈肿瘤的大型医疗系统，其中超导磁体是实现质子治疗装置超导化小型化关键技术。超导磁体功能是用于旋转机架引出的束流能量，减小摆放占地空间，减小系统吨位、节省成本。而超导磁体整体外形紧促，同时又能够在电流密度和磁场均匀度远远超过常规磁铁的功能需求，该部件的性能间接决定了治疗端束流的精度，减少了后期的维护成本。该系统结构简单、性能可靠、运行平稳和安全。

超导线圈在超导状态下电阻为零电流损耗最小，可以实现低电流下的高载流密度，其能够制成体积小，高磁场均匀度的超导磁铁，是国际上公认的的技术发展方向，其中超导磁铁线圈冷却是超导磁铁实现超导的重要部件。

传统的超导磁体一般采用低温超导线材nbti等液氦浸泡的方式制冷。但低温超导磁体成本高，而且由于必须工作在液氦温区(4.2k)，制冷和维护费用很高，同时由于运行温度的选择受氦沸点的限制，在磁体任何意外的失超情况下，会产生大量的低密度蒸汽，导致线圈盒内部压力剧增产生压力安全隐患。

技术实现要素：
：

本发明目的为了发展现有技术，提供一种基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体制冷装置，采用超导线圈内部单层传导冷方式，实现超导磁体整体系统低温通电运行，运行过程中无需添加液氦进行冷却，采用传导冷却技术，可以实现超导线圈在低温稳定化和高真空无压力聚集安全化下的快速冷却、低成本旋转、快速多变励磁、长周期稳定运行，可以确保超导磁体在旋转过程中的内部压力安全和失超安全。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体制冷装置，包括有制冷机、蓄冷铜头、层间叠片密绕型超导线圈、外挂间隔插入式外部导冷系统、耐压绝缘型导热传输系统；

其所述制冷机通过外接波纹管连接到蓄冷铜头，通过耐压绝缘型导热传输系统将所述蓄冷铜头连接到外挂间隔插入式外部导冷系统；

并所述外挂间隔插入式外部导冷系统与层间叠片密绕型超导线圈外部触点直接连接，所述外挂间隔插入式外部导冷系统通过耐压绝缘型导热传输系统与蓄冷铜头连接；

所述层间叠片密绕型超导线圈触点与外挂间隔插入式外部导冷系统连接；

通过紧固组件将层间叠片密绕型超导线圈、外挂间隔插入式外部导冷系统、耐压绝缘型导热传输系统和蓄冷铜头连接成一个整体。

进一步的，超导线圈导线层间内部设置全接触内导冷铜带，与超导线圈紧密配合完成vpi固化。

进一步的，密绕型超导线圈内部按照层间叠片方式布置有全接触内导冷铜带，全接触内导冷铜带与每层超导线圈按照大于1gω耐压绝缘等级隔开，全接触内导冷铜带按照断续接触延伸到密绕型超导线圈外部；蓄冷结构设置于超导线圈外部，与全接触内导冷铜带的外部连接完成装配。

进一步的，所述耐压绝缘型导热传输系统采用c型板结构，一端与外挂间隔插入式外部导冷系统上下两端连接将冷量传输到超导线圈内部；c型板结构另一端与z型板配合夹持在蓄冷铜头平板两端，用于提供超导线圈正常工作时的冷量供应，同时起到蓄冷作用，正常工作时为超导线圈提供1k温差的低温超导温度，超导线圈失超时提供快速冷却冷量，其中c型板和z型板与蓄冷铜头接触面之间采用氮化铝绝缘隔开。

进一步的，所述超导线圈包括导线层、全接触内导冷铜带、vpi固化层；所述超导线圈导线层通过全接触内导冷铜带单层的绝缘包层隔开，所述超导线圈导线层与全接触内导冷铜带表面贴合，绝缘包层均位于vpi固化层内；

所述单层全接触内导冷铜带到密绕型超导线圈外部的一端采用间隔型单片式结构，位于vpi固化层外，作为触点与外部导冷系统。

进一步的，所述制冷机通过外法兰与杜瓦连接，一级冷头通过软铜带与辐射冷屏连接，二级冷头与蓄冷铜头连接。

进一步的，线圈盒包裹在超导线圈外部，对线圈起到固定和密封作用，冷屏位于线圈盒外部减少外部辐射热对线圈盒的影响，杜瓦位于冷屏外部，为内部结构提供真空环境。

有益效果：

本发明为层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体高效制冷结构可以实现超导磁铁线圈直接冷却系统，该方法采用现有制冷机直冷方式，运行过程中无需液氦进行冷却，超导线圈采用单层匝间绝缘结构布置导铜板，制冷机采用导冷连接系统和耐压绝缘高导热率系统与超导线圈内部导铜板外部间隔铜板接触。本发明提供了一种超导磁铁线圈直接冷却系统，为超导二极铁线圈冷却方式，提供一种新型结构。本发明对于超导磁铁的进一步发展，具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体高效制冷装置的结构示意图；

图2为本发明层间叠片密绕型超导线圈结构意图；

图3位本发明的耐压绝缘型导热传输系统。

附图标号说明：1、制冷机；2、蓄冷铜头；3、c型连接板；4、z型连接板；5、外挂间隔插入式外部导冷系统；6、密绕型超导线圈；7、全接触式层间导冷铜带；8、导线层；9、vpi固化层；10、线圈盒；11、冷屏；12、杜瓦。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见附图1-3，根据本发明的一个实施例，提出一种基于层间叠片整体热传导的密绕型超导磁体高效制冷装置，包括有制冷机1、蓄冷铜头2、层间叠片密绕型超导线圈6、外挂间隔插入式外部导冷系统5、耐压绝缘型导热传输系统。制冷机1通过蓄冷铜头2为密绕型超导线圈6提供4.2k温度的冷量，c型连接板3和z型连接板4将外挂间隔插入式外部导冷系统5和蓄冷铜头2连接在一起，将冷量传输到密绕型超导线圈6内部，密绕型超导线圈6通过全接触式层间导冷铜带将密绕型超导线圈6冷却到4.2k温区同时，保证磁体温差小于1k；

密绕型超导线圈包括导线层8、全接触式层间导冷铜带7、vpi固化层9；所述密绕型超导线圈导线层8通过全接触式层间导冷铜带7绝缘隔开；所述密绕型超导线圈导线层8与绝缘包层均位于vpi固化层9内；所述全接触式层间导冷铜带7部分位于vpi固化层9外，还有一部分位于vpi固化层9内；

线圈盒10包裹在超导线圈外部，对线圈起到固定和密封作用，冷屏11位于线圈盒10外部减少外部辐射热对线圈盒的影响，杜瓦12位于冷屏11外部，为内部结构提供真空环境。

其所述制冷机1通过蓄冷铜头2和外挂间隔插入式外部导冷系统5与超导线圈内部单层全接触内导冷铜带外部延伸直接连接，所述制冷机1通过外法兰与杜瓦12连接，一级冷头通过软铜带与辐射冷屏连接，二级冷头与蓄冷铜头2连接；

所述耐压绝缘型导热传输系统采用蓄冷铜头形式，冷量集中，采用c型板和z型板结构将制冷机与超导线圈直接串联在一起，其中c型板和z型板与蓄冷铜头接触面之间采用氮化铝绝缘隔开，形成高效制冷结构。

所述层间叠片密绕型超导线圈，将超导线圈和全接触式层间导冷铜带通过vpi固化在一起，采用层间绝缘形式将超导线圈和全接触式层间导冷铜带整体连接成密绕型传导冷却整体结构。

根据本发明的一个实施例，密绕型超导线圈内部按照层间叠片方式布置有全接触内导冷铜带，全接触内导冷铜带与每层超导线圈按照大于1gω耐压绝缘等级隔开，全接触内导冷铜带按照断续接触延伸到密绕型超导线圈外部；蓄冷结构设置于超导线圈外部，与全接触内导冷铜带的外部连接完成装配。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。