一种冷却系统、超导磁体系统及冷却方法与流程

本发明涉及超导磁体，尤其涉及一种冷却系统、超导磁体系统及冷却方法。

背景技术：

1、超导的广泛应用一直与低温密不可分，只有将磁体冷却至超导转变温度以下才能实现超导特性，一旦超过超导转变温度，失超产生的巨大焦耳热可能烧毁超导线，甚至引发爆炸事故。目前应用最广泛的超导磁体为低温超导磁体，其超导转变温度非常低，如nbti的超导转变温度为9.6k，nb3sn的超导转变温度为18.1k，即使被称为高温超导磁体的液氮温区超导磁体的超导转变温度也需要近似77k。因此，保证超导磁体稳定运行在低温环境是超导技术应用的关键。

2、随着小型制冷机技术的发展，使用制冷机直接冷却超导磁体系统的应用越来越广泛，其相对传统低温液体浸泡法，具有无液氦消耗、成本低、体积小、结构紧凑及易于使用和维护等优势。典型的制冷机冷却系统包括被冷却负载、防辐射冷屏、制冷机、真空容器及其他附件，防辐射冷屏与制冷机一级冷头连接，被冷却负载与二级冷头连接。冷却系统运行时，制冷机二级冷头将会达到闭式循环制冷机的最低温度。

3、由于一级冷头的制冷功率远超二级冷头，因此，一级冷头的温度很快将接近最终温度，而当被冷却负载的热容量较大时，二级冷头可能需要较长的时间才能将冷却负载冷却到最低温度。为了缩短被冷却负载冷却至最低温度的时间，可以在制冷机的一级冷头和被冷却负载之间安装低温热开关，在开启状态下，低温热开关作为高效热传导件使用，将一级冷头的大量冷量先对被冷却负载进行预冷，当达到一级冷头的最低温度后，必须中断低温热开关，二级冷头才能将被冷却负载继续冷却到更低的温度。

4、低温热开关通常包括机械接触式热开关、超导式热开关、气隙式热开关和磁阻式热开关等。机械接触式热开关是利用可移动表面的接触或断开实现热开关状态的切换，其具有工作温区不受限制且可完全断开的优点，但是热导受压力限制难以做到较高，且需要设置额外的驱动结构驱动热开关移动，设计难度较大，且占地空间较大；超导式热开关的原理是利用超导材料在正常态和超导态的热导率差异进行热开关的切换，其在导通时导热系数较高，但是仅适用于0.5k以下温区，且需要额外施加作用于超导式热开关的磁场，导致系统复杂性和系统成本增加，同时，对热开关施加磁场时的磁热效应也会产生热量，在热开关断开时还会存在漏热；气隙式热开关的工作原理是在温度较低的一侧放置吸附剂，当该侧温度较低时，吸附剂吸附气体，使叶片间隙气压较低，热开关处于断开状态，随着该侧温度升高，吸附剂解吸，气体进入间隙，热开关处于导通状态，其可被动驱动，但是预设工作温度范围要求较高，且需要精密制造，成本较高；磁阻式热开关原理是利用某些金属的磁阻效应，当施加磁场时，受到洛伦兹力作用，载热电子的运动将受到抑制，材料的热导率最低可降至仅由声子导热的水平，因此其开关比较大，但磁阻式热开关仅限于极低温应用，需要大磁场和相应的电磁铁，成本较高，占地空间较大，同时磁阻材料过脆，易于损坏，导致加工和维护成本增加。

技术实现思路

1、本发明的一个目的在于提供一种冷却系统，其能够提高被冷却负载的冷却效率，在增大热开关的开关比和导通时的导热性的同时，减小热开关的占地空间和设置成本，提高冷却系统的结构紧凑性、运行安全性和运行稳定性。

2、本发明的另一个目的在于提供一种超导磁体系统，其能够提高超导磁体系统的结构紧凑性，且能够提高超导磁体系统的运行效率、运行安全性和运行可靠性。

3、本发明的又一目的在于提供一种冷却方法，其能够提高被冷却负载的冷却效率，减小冷却时间，且提高被冷却负载的运行安全性和运行效率。

4、为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

5、一种冷却系统，用于冷却被冷却负载，所述冷却系统包括真空罩、制冷机、热开关及温控装置，所述制冷机具有一级冷头和二级冷头，所述被冷却负载、所述一级冷头及所述二级冷头均位于所述真空罩内，所述热开关包括第一低温脉动热管，所述第一低温脉动热管的冷凝段与所述一级冷头热连接，所述第一低温脉动热管的蒸发段与所述被冷却负载连接，所述二级冷头与所述被冷却负载之间连接有热传导件，所述一级冷头的最终制冷温度低于所述第一低温脉动热管内工的三相点温度，所述温控装置用于控制所述一级冷头和所述二级冷头的制冷温度。

6、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述热开关包括蒸发板和冷凝板，所述第一低温脉动热管的冷凝段固定于所述冷凝板，所述蒸发板和所述冷凝板均由导热金属制成，所述第一低温脉动热管的蒸发段固定于所述蒸发板，所述冷凝板与所述一级冷头连接，所述蒸发板与所述被冷却负载连接。

7、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述热开关包括至少两个第一低温脉动热管，所述蒸发板及所述冷凝板均与所述第一低温脉动热管一一对应设置；

8、所有所述冷凝板层叠设置并固定连接，且位于外侧的一所述冷凝板与所述一级冷头连接；

9、所有所述蒸发板分为分离设置的至少两组，每组所述蒸发板包括至少一所述蒸发板或层叠且固定设置的若干个所述蒸发板，每组所述蒸发板中，位于外侧的一所述蒸发板与所述被冷却负载连接。

10、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述冷却系统还包括一级防辐射屏，所述一级防辐射屏悬设于所述真空罩内，所述被冷却负载悬设于所述一级防辐射屏内部，所述一级冷头与所述一级防辐射屏热连接。

11、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述冷却系统还包括二级防辐射屏，所述二级防辐射屏悬设于所述一级防辐射屏内部，所述被冷却负载悬设于所述二级防辐射屏内部，所述二级冷头与所述二级防辐射屏热连接。

12、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述热传导件包括第二低温脉动热管，所述第二低温脉动热管的蒸发段与所述被冷却负载连接，所述第二低温脉动热管的冷凝段与所述二级冷头热连接，所述二级冷头的最终制冷温度处于所述第二低温脉动热管内工质的三相点温度和临界点温度之间。

13、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述第一低温脉动热管内的工质为氩、氮、氧或甲烷；

14、所述第二低温脉动热管内的工质为氦、氢或氖。

15、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述制冷机设置有至少两个，所述热开关和所述热传导件均与所述制冷机一一对应设置。

16、作为一种冷却系统的可选技术方案，所述一级冷头、所述二级冷头、所述热开关、所述被冷却负载和/或热传导件的外表面包覆有多层绝缘材料；

17、和/或，所述热开关具有第一连接面和第二连接面，所述第一连接面与所述一级冷头热连接，所述第二连接面与所述被冷却负载热连接，所述第一连接面和/或所述第二连接面设置有导热涂层和/或导热片。

18、一种超导磁体系统，包括超导磁体，还包括如上所述的冷却系统，所述超导磁体为所述被冷却负载。

19、一种冷却方法，应用于如上冷却系统，所述冷却方法包括：

20、将所述真空罩内部抽真空至真空值小于预设真空值；

21、启动所述制冷机；

22、当所述一级冷头的温度达到所述第一低温脉动热管的气液两相流温区时，控制所述一级冷头的温度保持至所述气液两相流温区，以使所述热开关处于导通状态；

23、当所述被冷却负载的温度低于所述热开关的三相点温度时，停止对所述一级冷头的温度控制，以使所述一级冷头温降至所述第一低温脉动热管内工质的三相点温度，使所述热开关断开。

24、作为一种冷却方法的可选技术方案，所述冷却方法还包括：

25、在所述被冷却负载的运行过程中，当所述被冷却负载的温度升高至所述第一低温脉动热管的气液两相流温区时，调控所述一级冷头的温度至所述气液两相流温区，以使所述热开关由断开状态转化为导通状态。

26、本发明的有益效果在于：

27、本发明提供的冷却系统，通过使用热开关包括第一低温脉动热管，可以有效利用制冷机一级冷头的冷量，加快被冷却负载冷却至预设工作温度，提高冷却系统的效率，也能缩短被冷却负载由温升状态恢复至正常工作状态的时间，提高冷却系统的运行安全性和可靠性；同时，第一低温脉动热管在导通时，导热系数比导热金属高几个数量级，传热效率高，能够有效提高被冷却负载的冷却效率和被冷却负载的恢复效率，同时其开关比较大，能够有效保证热开关断开时的绝热性能，保证冷却系统的使用可靠性；而且，由于热开关能够根据温度变化自动断开和导通，无需机械和电磁驱动，降低控制难度，提高控制精度，保证热开关的使用可靠性，同时减小热开关的结构复杂性和空间占用率，降低冷却系统的成本；再者，第一低温脉动热管体积小、重量轻且传热距离较远，且能采用弯折布置，使得第一低温脉动热管可以容易地集成至具有严格质量和空间限制的结构中，提高冷却系统的结构紧凑性。

28、本发明提供的超导磁体系统，通过采用上述的冷却系统，能够降低超导磁体预冷至预设工作温度的时间，提高超导磁体系统的运行效率，且缩短在超导磁体失超时回复至超导状态的时间，提高超导磁体系统的运行安全性和可靠性；同时，由于热开关占地空间较小，布置灵活，能够有效提高超导磁体系统的结构紧凑性。

29、本发明提供的冷却方法，能够提高被冷却负载的冷却效率，从而提高被冷却负载的工作效率，提高被冷却负载的运行安全性和可靠性。