阅读说明：本技术 直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关及降温方法 (Movable self-positioning rapid cooling mechanical switch for direct cooling magnet and cooling method ) 是由 李超 李勇 刘伟 马鹏 周涛 葛正福 冯勇 张平祥 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关及降温方法,包括有杜瓦、机械开关、磁体,杜瓦上部设有顶板；顶板上设有吊装结构、抽空接口、气缸；气缸通过波纹管与设在杜瓦内的活动连接导冷装置进行连接和断开；活动连接导冷装置由自定位结构的锥头和锥碗组成,锥碗保持不动,锥头和气缸连接,气缸的上升和下降,实现了锥头和锥碗的连接与断开,从而机动的实现降温控制需求。磁体安装；装入磁体,杜瓦抽空；真空检漏,打开制冷机,打开自定位机械开关,到达预期温度后断开自定位机械开关；这种活动式自定位机械开关解决了磁体在前期冷却过程中降温速度慢的问题；利用大冷量制冷机实现磁体的快速降温,结构简单、实用、可靠,操作方便。(A movable self-positioning rapid cooling mechanical switch for a direct cooling magnet and a cooling method thereof comprise a Dewar, a mechanical switch and a magnet, wherein the upper part of the Dewar is provided with a top plate; the top plate is provided with a hoisting structure, an evacuation interface and a cylinder; the cylinder is connected and disconnected with a movable connection cold-conducting device arranged in the Dewar through a corrugated pipe; the movable connection cold guide device is composed of a conical head and a conical bowl of a self-positioning structure, the conical bowl is kept still, the conical head is connected with the air cylinder, the air cylinder rises and falls, connection and disconnection of the conical head and the conical bowl are achieved, and therefore cooling control requirements are achieved flexibly. Mounting a magnet; putting in a magnet, and evacuating by a Dewar flask; detecting leakage in vacuum, turning on a refrigerator, turning on a self-positioning mechanical switch, and turning off the self-positioning mechanical switch after the preset temperature is reached; the movable self-positioning mechanical switch solves the problem that the cooling speed of the magnet is low in the early cooling process; the quick cooling of the magnet is realized by utilizing the large-cooling-capacity refrigerator, and the device has the advantages of simple structure, practicality, reliability and convenient operation.)

直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关及降温方法

技术领域

本发明属于超导磁体低温传热技术领域，具体涉及直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关及降温方法。

背景技术

超导磁体的稳定运行取决于低温条件，从低温条件的创造来分类，可分为液氦浸泡冷却和制冷机直接冷却两种方式；由于受氦资源短缺和高成本的制约，制冷机直接冷却磁体越来越受到市场欢迎，但对于较大型直冷磁体，其质量较大，冷质量也较大，其前期降温速度较慢，这使得其在降温时间和效率上受到制约。而制冷机在液氮温区具有较高冷量，为了充分提高其分段制冷的能力，通过增加一种气缸连接的活动式自定位机械开关，通过监控温度，连通与断开热开关，实现磁体的快速降温，提高了磁体的降温效率。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关及降温方法，制冷机冷却磁体降温时间长，降温速度慢的问题，安装结构简单、易于实现，适用于较大直冷磁体的快速降温。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关，包括有杜瓦、冷屏、自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头、导热铜带、磁体；杜瓦上部安装有气缸、单级制冷机和双级制冷机；所述的杜瓦的顶板下方设有螺杆、冷屏、自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头、导热铜带和磁体；

气缸的输出端依次通过自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头、导热铜带与磁体相连；单级制冷机通过导热铜带与磁体相连通；双级制冷机通过导热铜带与磁体相连通。

所述的双级制冷机通过导热铜带与磁体连接。所述的单级制冷机通过导热铜带与冷屏连接。所述的气缸通过波纹管与自定位机械开关锥头连接。所述的自定位机械开关锥碗固定在冷屏的顶部。所述的自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头之间具有相同的锥度；通过以上的连接方式，可以保证开关在关闭时保证有良好的传热。

所述的磁体置于其底部的载物台上，通过螺杆悬挂于杜瓦的顶板上。所述的杜瓦的顶板通过螺杆固定悬挂有冷屏；所述的杜瓦的顶板上设有接口法兰。所述的双级制冷机的二级冷头通过导热铜带与磁体进行连接；单级制冷机也通过导热铜带分别与自定位机械开关锥碗连接。

利用直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关的磁体快速降温方法，包括以下步骤：

在进行超导磁体降温时，打开双级制冷机及单级制冷机，开始对线圈进行降温，对气缸进行通气操作，并保持压力为0.1-0.3MPa，自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头实现闭合，此时大功率单级制冷机开始对线圈进行降温；当线圈降温至单级制冷机的最低温度时，关闭气缸的气源，自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头实现打开，单级制冷机只对冷屏进行降温，此时双级制冷机继续对线圈进行降温，降温至需求温度。这样，通过对活动式自定位机械开关进行操作，充分利用了单级制冷机的大功率，加速了线圈到达最低温度的时间。

本发明的有益效果是：

在大型直冷磁体的降温冷却过程中，因磁体整体冷质量较大，磁体降温速度较慢，为实现磁体的快速降温，使用一种活动式自定位机械开关，将单级制冷机液氮温区的冷量和磁体之间导通，帮助磁体快速从室温降至77K左右，从降温曲线观察，当磁体温度在77K左右温区曲线趋于平缓时，表明单级制冷机无法继续帮助磁体进一步降温，此时断开活动式自定位机械开关，使用双级制冷机继续降温直至目标温度，而单级制冷机继续保持磁体的外部空间低温环境的温度梯度。

大型直冷磁体，因为磁体质量大，从室温到目标温度继续的热能大，将其降温至目标温度使用的时间很长，甚至长达数十天之久，而采用本发明降温装置可以很好地解决此类问题，并已在工作中得到验证。

本发明的一种大型直冷磁体用活动式自定位机械开关，在降温开始打开外部气缸开关，使得活动式自定位机械开关闭合，大冷量单级制冷机的制冷量可以直接导入目标磁体，帮助磁体快速降温，当目标磁体温度降低接近单级制冷机温度下限时，即磁体温度已降至液氮温度以下，此时由于低温下材料的比热容急剧减小，可以仅适用双级继续冷却目标磁体至工作温度。

本发明的自定位机械开关包含2部分，其中自定位机械开关锥碗与气缸连接，自定位机械开关锥头与导热铜带进行连接，在使用时自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头通过气缸的通气、断气，实现连接与断开。由于自定位机械开关锥碗、自定位机械开关锥头的锥形结构具有自定位功能，自定位机械开关锥碗与自定位机械开关锥头，不需要很高的精度定位，仅需要保有一定的挠性自由度，就可以保证连接时，自动找准定位位置，进行紧密接触连接。

本发明的一种大型直冷磁体用活动式自定位机械开关装置，解决了大型直冷磁体降温速度慢的问题。提高了降温效率，结构简单、实用、可靠，操作方便。

1）通过充分利用制冷机在液氮温区的大冷量制冷能力，给大型直冷磁体前期快速降温，提高磁体降温效率。

2）活动式自定位机械开关的连接和断开，通过外部的气缸工作开关的连接、断开来实现，并可实现远程操作控制，使用操作快捷高效。

3）采取本发明的组装结构，磁体的安装、拆卸和更换方便，提高工作效率，加快工作进度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明图1的俯视图。

图中， 1.接口法兰；2.双级制冷机；3.支撑及冷屏结构；4.单级制冷机；5.气缸；6.自定位机械开关锥碗；7.自定位机械开关锥头；8.导热铜带一；9.杜瓦；10.磁体；11.导热铜带二；12.导热铜带三。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1、2，直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关，包括有杜瓦9、冷屏3、自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7、导热铜带8、磁体10；杜瓦9上部安装有气缸5、单级制冷机4和双级制冷机2；所述的杜瓦9的顶板下方设有螺杆、冷屏、自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7、导热铜带8和磁体10；

气缸5的输出端依次通过自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7、导热铜带一8与磁体10相连；单级制冷机4通过导热铜带二11与磁体10相连通；双级制冷机2通过导热铜带三12与磁体10相连通。

所述的导热铜带一8与导热铜带二11、导热铜带三12结构相同。

所述的双级制冷机通过导热铜带三12与磁体连接。

所述的螺杆穿过冷屏将磁体固定在顶板下方。

所述的磁体10置于其底部的载物台上，通过螺杆悬挂于杜瓦9的顶板上。

所述的杜瓦9的顶板下方通过螺杆固定悬挂有冷屏3。

所述的双级制冷机2的二级冷头通过与磁体10进行连接；单级制冷机4也通过导热铜带二11分别与冷屏3、自定位机械开关锥碗6连接。

所述的杜瓦9的顶板通过螺杆固定悬挂有冷屏3；所述的杜瓦9的顶板上设有接口法兰1。

所述的杜瓦9的顶板上还设有吊环。

所述的冷屏通过螺杆固定在顶板的下方。

所述的磁体为大型直冷磁体。

所述的单级制冷机通过导热铜带装置与冷屏连接。

所述的气缸通过波纹管与自定位机械开关锥头连接，自定位机械开关锥头通过导热铜带装置与磁体连接。

所述的自定位机械开关锥碗6固定在冷屏3的顶部。

所述的自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7之间具有相同的锥度，在加载一定的预紧力时接触面能够良保证良好的配合。

所述的磁体10置于其底部的载物台上，通过螺杆悬挂于杜瓦9的顶板上。

所述的杜瓦9的顶板通过螺杆固定悬挂有冷屏3；所述的杜瓦9的顶板上设有接口法兰1。

所述的法兰接口1与顶板进行焊接，用于杜瓦的抽空和其余信号线等接头的连接。

所述的吊环用于磁体的组装和搬运。

所述的双级制冷机2的二级冷头通过导热铜带三12与磁体10进行连接；单级制冷机4也通过导热铜带二11分别与冷屏3、自定位机械开关锥碗6连接。

在真空状态下，为实现磁体10前期的快速降温，利用自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7，将单级制冷机4的制冷量直接导入磁体10，实现磁体的快速降温，当磁体温度达到单级制冷机4的温度下限后，即单级制冷机4无法继续帮助磁体10降温后，断开气缸5和自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7，继续使用双级制冷机2对磁体10进行降温。

本发明的操作步骤是：

步骤1，磁体安装

通过吊环，使用天车将顶板杜瓦顶板连带其支撑及冷屏3结构和磁体10等起吊，待其内部组装到位后，将其整体调入杜瓦10筒体内，并使用螺钉和密封圈进行密封；

步骤2，罐体粗抽

用机械真空泵通过罐体接口法兰1，将罐体内部抽真空至10Pa以下；

步骤3，罐体抽空

先用机械真空泵通过罐体接口法兰1，将罐体内部抽至低真空10^-1~10^-2Pa；再用分子泵抽至高真空10^-4Pa；

步骤4，制冷降温

打开双级制冷机2、单级制冷机4，打开气缸5，让活动式自定位机械开关闭合，使得自定位机械开关锥碗与自定位机械开关锥头闭合，对磁体10进行从室温300K到液氮温区77K左右的降温。

当磁体温度达到液氮温区温度，且降温曲线下降缓慢时，单级制冷机4无法对磁体10进行进一步的降温，此时断开气缸5，让活动式自定位机械开关断开，使得自定位机械开关锥碗与自定位机械开关锥头脱离，而双级制冷机2继续对磁体10降温至目标温度。

超导磁体采用拉杆吊装安装在顶板上的结构，可以方便的处理磁体内部大量的信号线、电源线的出线问题。

利用直冷磁体用活动式自定位快速降温机械开关的磁体快速降温方法，包括以下步骤：

在进行超导磁体降温时，打开双级制冷机2及单级制冷机4，开始对线圈10进行降温，对气缸5进行通气操作，并保持压力为0.1-0.3MPa，自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7实现闭合，此时大功率单级制冷机4开始对线圈10进行降温；当线圈10降温至单级制冷机的最低温度时，关闭气缸的气源，自定位机械开关锥碗6、自定位机械开关锥头7实现打开，单级制冷机4只对冷屏3进行降温，此时双级制冷机2继续对线圈进行降温，降温至需求温度。这样，通过对活动式自定位机械开关进行操作，充分利用了单级制冷机4的大功率，加速了线圈到达最低温度的时间。