一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体
阅读说明：本技术 一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体 (High-temperature superconducting magnet cooled by liquid nitrogen shielding mixed liquid medium ) 是由 邱清泉 周志浩 宋乃浩 杜晓纪 张京业 许熙 张国民 肖立业 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体,包括超导线圈、低温杜瓦内腔体、低温杜瓦液氮屏蔽层、低温杜瓦真空夹层、液氮和氟碳混合液体绝缘介质、出线端子、液氮进液口、氮气排气口、混合介质进气口、制冷机、换热器和低温泵；超导线圈位于低温杜瓦内腔体内,低温杜瓦内腔体内部灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质,低温杜瓦液氮屏蔽层内部充有液氮；超导线圈由液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却和绝缘。液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机通过换热器直接冷却或由制冷机通过换热器加低温泵迫流循环冷却。(The invention provides a high-temperature superconducting magnet cooled by a liquid-nitrogen shielding mixed liquid medium, which comprises a superconducting coil, a low-temperature Dewar inner cavity, a low-temperature Dewar liquid nitrogen shielding layer, a low-temperature Dewar vacuum interlayer, a liquid nitrogen and fluorocarbon mixed liquid insulating medium, a wire outlet terminal, a liquid nitrogen liquid inlet, a nitrogen gas exhaust port, a mixed medium air inlet, a refrigerator, a heat exchanger and a low-temperature pump, wherein the low-temperature Dewar vacuum interlayer is arranged between the superconducting coil and; the superconducting coil is positioned in the low-temperature Dewar inner cavity, a liquid nitrogen and fluorocarbon mixed liquid insulating medium is filled in the low-temperature Dewar inner cavity, and liquid nitrogen is filled in the low-temperature Dewar liquid nitrogen shielding layer; the superconducting coil is cooled and insulated by a liquid nitrogen and fluorocarbon mixed liquid insulating medium. The liquid nitrogen and fluorocarbon mixed liquid insulating medium is directly cooled by a refrigerator through a heat exchanger or is circularly cooled by the refrigerator through the heat exchanger and a low-temperature pump forced flow.)
技术领域
本发明涉及超导冷却领域，尤其是一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体。
背景技术
随着科学探索对强磁场需求的日益增加，高温超导磁体作为获得强磁场的较好手段逐渐受到科研人员的关注。
通常用于高温超导磁体的冷却方式有制冷机传导冷却、液氮浸泡、固氮冷却甚至液氦浸泡冷却等。但制冷机传导冷却的磁体热稳定性较差，低真空下存在绝缘问题，且冷却时间较长，较难用于设备频繁启停或制冷机与设备分离的场合；液氮浸泡冷却方式虽能使得冷却迅速、启停便利、绝缘良好，但65～77K温区不能充分地发挥高温超导带材的电磁性能优势，且较窄的液相区间使得液氮容易在系统故障时沸腾带来安全隐患；固氮冷却尽管使用较为方便，且能达到较有优势的温区，却容易在设备运行期间造成固氮与带材的分离；氦又是战略资源，不仅价格昂贵且储量匮缺。
目前已有多项专利公开过液氮屏蔽减小漏热的方式，常用于液氦冷却情况，但由于液氮温度远高于液氦的液相温区，若制冷机停机则液氦汽化，因而该类装置不适用于频繁启停或制冷机长时间停机的情况。此外，为改善高温超导体的冷却和绝缘，中国专利CN111627684A公开了一种液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却的超导限流变压器，能够在50～100K较宽温区实现液体浸泡冷却，不仅较为充分地发挥了超导体的电磁性能，且提高了装置的热稳定性和绝缘性能，但仍不能适用于设备需频繁启停或制冷机长时间停机的应用场合。
发明内容
本发明针对目前高温超导磁体采用制冷机传导冷却、液氮浸泡冷却以及固氮冷却存在的不足，及其对65K以下温区液体介质浸泡冷却的需求，提出一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体。液氮温度处于所提出的液氮和氟碳混合液体绝缘介质的液相温区中，因此液氮屏蔽和液氮氟碳混合介质冷却相结合将使得装置应用在频繁启停或制冷机长时间停机的场合成为可能。高温超导磁体若能采用经济性较好的65K以下温区液体介质浸泡冷却，则不仅能够缓解纯制冷机传导冷却降温时间过久、设备启停不便等问题，还能使得磁体拥有较好的热稳定性和绝缘性能。
经过理论计算和实验测试发现，液氮和氟碳混合液体介质可能具有较低的凝固点和较高的沸点，且具有良好的流动传热特性和绝缘特性。其中液氮/四氟化碳(LN2/CF4)混合液体介质可在50～100K宽温区范围用于超导磁体的冷却和绝缘。LN2/CF4低于过冷液氮的运行温度不仅可以提升超导带材的电磁性能从而改善磁体整体运行参数，其高于饱和液氮的沸点还可以大幅限制在过载或极端故障情况下大能量注入导致的低温容器的压力骤增。
本发明采用以下技术方案：一种液氮屏蔽混合液体介质冷却的高温超导磁体，包括超导线圈、低温杜瓦内腔体、低温杜瓦液氮屏蔽层、低温杜瓦真空夹层、液氮和氟碳混合液体绝缘介质、出线端子、液氮进液口、氮气排气口、混合介质进气口、制冷机、换热器；低温杜瓦内腔体内部灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质，超导线圈设置于低温杜瓦内腔体内液氮和氟碳混合液体绝缘介质中，低温杜瓦液氮屏蔽层在多个部位屏蔽低温杜瓦内腔体，低温杜瓦液氮屏蔽层内部充有液氮；超导线圈由液氮和氟碳混合液体绝缘介质冷却和绝缘；制冷机的换热器位于液氮和氟碳混合液体绝缘介质中，液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机通过换热器冷却；出线端子与超导线圈相连接，安装于低温杜瓦内腔体的上盖板上；制冷机的冷头也安装于低温杜瓦内腔体的上盖板上。
进一步的，所述低温杜瓦液氮屏蔽层减少低温杜瓦内腔体的漏热，包括两种结构：
低温杜瓦液氮屏蔽层采用单层液氮直接屏蔽结构；或者，
低温杜瓦液氮屏蔽层采用双层液氮辐射屏蔽结构，在低温杜瓦内腔体和低温杜瓦液氮屏蔽层之间增设有一层低温杜瓦真空内夹层；
采用单层液氮直接屏蔽结构情况下，在制冷机工作时，超导线圈的温度为50～60K，低温杜瓦液氮屏蔽层中的液氮冷却为固氮；在制冷机持续预定时间停机时，低温杜瓦液氮屏蔽层中的固氮回温成为液氮，液氮和氟碳混合液体绝缘介质和超导线圈的温度为77K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质零挥发；
采用双层液氮辐射屏蔽结构情况下，在制冷机工作时，超导线圈的温度为50～60K，低温杜瓦液氮屏蔽层内的液氮仍保持77K；在制冷机持续预定时间停机时，低温杜瓦内真空夹层和低温杜瓦液氮屏蔽层中的液氮一同减少低温杜瓦内腔体的漏热，维持低温杜瓦内腔体中的液氮和氟碳混合液体绝缘介质以及超导线圈的温度在77～100K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质零挥发。
进一步的，所述低温杜瓦液氮屏蔽层在多个部位屏蔽低温杜瓦内腔体，包括两种方式：
半屏蔽方式，低温杜瓦液氮屏蔽层做成低温杜瓦液氮夹层的结构，在外侧、下部对低温杜瓦内腔体进行屏蔽；或者，
全屏蔽方式，低温杜瓦液氮屏蔽层做成低温杜瓦液氮腔体的结构，在外侧、上部和下部均对低温杜瓦内腔体进行屏蔽。
采用半屏蔽方式情况下，低温杜瓦内腔体和低温杜瓦液氮屏蔽层共用上盖板；
采用全屏蔽方式情况下，低温杜瓦内腔体和低温杜瓦液氮屏蔽层分别有上盖板，高温超导磁体的出线端子分别分为上下两段，分别固定于低温杜瓦内腔体的上盖板上和低温杜瓦液氮屏蔽层的上盖板上，中间采用软铜线连接。
进一步的，所述超导线圈和液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机冷却，包括两种形式：
超导线圈和液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机通过换热器直接冷却；或者，
超导线圈和液氮和氟碳混合液体绝缘介质由制冷机通过换热器加低温泵迫流循环冷却。
由制冷机直接冷却的情况下，制冷机安装于低温杜瓦内腔体的上盖板上；由制冷机加低温泵迫流循环冷却的情况下，制冷机和低温泵安装于低温杜瓦外部，低温泵与低温管道、换热器和低温杜瓦内腔体连接形成循环回路，并由制冷机冷却；
进一步的，所述的液氮和氟碳混合液体绝缘介质为液氮和液化四氟化碳的混合物，液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45～90％，凝固点为50～60K，泡点为80～100K。
进一步的，所述的超导线圈采用有感或无感线圈结构。
进一步的，液氮进液口、氮气排气口、混合介质进气口设置于低温杜瓦内腔体的上盖板上，所述的混合介质进气口连通于低温杜瓦内腔体，用于充入液氮和氟碳混合物。
进一步的，液氮进液口连通于低温杜瓦液氮屏蔽层，用于通入液氮。
本发明具有以下优点：
(1)本发明可有效提升高温超导磁体的载流能力。与65K过冷液氮相比，液氮和氟碳混合液体绝缘介质具有更低的凝固点，超导磁体可以运行在50～60K温区，超导带材的临界电流密度等电磁性能参数将进一步提升。
(2)本发明可改善高温超导磁体的绝缘性能。液体浸泡型超导磁体可以有效缓解制冷机传导冷却方式带来的低真空下绝缘较差的缺点，且与饱和液氮相比，液氮和氟碳混合液体绝缘介质具有更高的泡点(80～100K)，可减少气泡数量甚至抑制气泡产生，从而抑制局部放电、减缓固体绝缘老化，因此本发明所述超导磁体整体绝缘性能更强。
(3)本发明可降低高温超导磁体系统的运行压力。与液氮相比，液氮和氟碳混合液体介质具有更宽的运行温区，在超导磁体失超时可有效缓解失超能量注入导致液体介质剧烈沸腾的问题，避免低温容器承受过大压力造成的安全隐患，提升系统的安全性。
(4)本发明磁体系统降温速度快、方便启停。与制冷机传导冷却相比，采用混合液体介质浸泡型超导磁体系统降温较快，且制冷机停机后回温较慢，电流和磁场也可以维持较长时间，可以用于高精度测量等需要制冷机关停的低振动、低噪声以及需频繁启停的应用场景。
(5)本发明磁体系统在制冷机停机后可通过液氮屏蔽层维持混合液体绝缘介质零挥发，且维持在低温环境中，避免了频繁启停场合下因反复回温-冷却而造成磁体损伤，具有更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明具体实施例1制冷机直接冷却液氮半屏蔽结构的超导磁体结构图；
图2为本发明具体实施例2制冷机直接冷却液氮辐射半屏蔽结构的超导磁体结构图；
图3为本发明具体实施例3制冷机直接冷却液氮全屏蔽结构的超导磁体结构图；
图4为本发明具体实施例4制冷机加低温泵迫流循环冷却液氮半屏蔽结构的超导磁体结构图；
图5为N2和CF4的固液相平衡图；
图6为N2和CF4的气液相平衡图；
图7为N2和CF4的直流绝缘性能图。
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。
图1所示为本发明实施例1制冷机直接冷却液氮半屏蔽结构的超导磁体。所述的超导磁体包括超导线圈1、低温杜瓦内腔体2、低温杜瓦液氮夹层3、低温杜瓦真空夹层4、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、出线端子6、液氮进液口7、氮气排气口8、混合介质进气口9、制冷机10和换热器11。超导线圈1位于低温杜瓦内腔体2内部；低温杜瓦内腔体2内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5，低温杜瓦液氮夹层3内部充有液氮；超导线圈1由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机10通过换热器11冷却。出线端子6与超导线圈1相连接，安装于低温杜瓦内腔体2的上盖板上；制冷机10安装于低温杜瓦内腔体2的上盖板上；制冷机10正常工作时，超导线圈1的温度为50～60K，低温杜瓦液氮夹层3中的液氮冷却为固氮；在制冷机10长时间停机时，低温杜瓦液氮夹层3中的固氮回温成液氮，低温杜瓦内腔体2中的液氮和氟碳混合液体绝缘介质5和超导线圈1的温度升至77K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质5零挥发；低温杜瓦液氮夹层3在外侧和下部屏蔽低温杜瓦内腔体2，整体杜瓦共用同一上盖板。
图2所示为本发明实施例2制冷机直接冷却液氮辐射半屏蔽结构的超导磁体。所述的超导磁体包括超导线圈1、低温杜瓦内腔体2、低温杜瓦液氮夹层3、低温杜瓦内外真空夹层4(包括低温杜瓦外真空夹层4-1和低温杜瓦内真空夹层4-2)、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、出线端子6、液氮进液口7、氮气排气口8、混合介质进气口9、制冷机10和换热器11。超导线圈1位于低温杜瓦内腔体2内部；低温杜瓦内腔体2内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5；低温杜瓦液氮夹层3内部充有液氮；整体杜瓦由内至外分别为低温杜瓦内腔体2、低温杜瓦内真空夹层4-2、低温杜瓦液氮屏蔽层3、低温杜瓦外真空夹层4-1。超导线圈1由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机10通过换热器11冷却。出线端子6与超导线圈1相连接，安装于低温杜瓦内腔体2的上盖板上；制冷机10安装于低温杜瓦内腔体2的上盖板上；制冷机10正常工作时，超导线圈1的温度为50～60K，低温杜瓦液氮夹层3中的液氮仍为77K；在制冷机10长时间停机时，低温杜瓦内真空夹层4-2和低温杜瓦液氮屏蔽层3中的液氮一同减少低温杜瓦内腔体2的漏热，维持低温杜瓦内腔体2中的液氮和氟碳混合液体绝缘介质5以及超导线圈1的温度在50～60K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质5零挥发；低温杜瓦液氮夹层3在外侧和下部屏蔽低温杜瓦内腔体2，整体杜瓦共用同一上盖板。
图3所示为本发明实施例3制冷机直接冷却液氮全屏蔽结构的超导磁体。所述的超导磁体包括超导线圈1、低温杜瓦内腔体2、低温杜瓦液氮腔体3、低温杜瓦真空夹层4、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、出线端子6、液氮进液口7、氮气排气口8、混合介质进气口9、制冷机10和换热器11。超导线圈1位于低温杜瓦内腔体2内部；低温杜瓦内腔体2内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5，低温杜瓦液氮腔体3内部灌装有液氮；超导线圈1由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机10通过换热器11冷却。低温杜瓦液氮腔体3在外侧、上端和下端均屏蔽低温杜瓦内腔体2，低温杜瓦内腔体2和低温杜瓦液氮腔体3分别有各自的上盖板，超导线圈1的出线端子6分别分为上下两段，分别固定于低温杜瓦内腔体2的上盖板上和低温杜瓦液氮腔体3的上盖板上，中间采用软铜线连接。制冷机10安装于低温杜瓦液氮腔体3的上盖板上；制冷机10正常工作时，超导线圈1的温度为50～60K，低温杜瓦液氮腔体3中的液氮冷却为固氮；在制冷机10长时间停机时，低温杜瓦液氮腔体3中的固氮回温成液氮，低温杜瓦内腔体2中的液氮和氟碳混合液体绝缘介质5和超导线圈1的温度升至77K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质5零挥发。
图4所示为本发明实施例4制冷机加低温泵迫流循环冷却液氮半屏蔽结构的超导磁体。所述的超导磁体包括超导线圈1、低温杜瓦内腔体2、低温杜瓦液氮夹层3、低温杜瓦真空夹层4、液氮和氟碳混合液体绝缘介质5、出线端子6、液氮进液口7、氮气排气口8、混合介质进气口9、制冷机10、换热器11和低温泵12。超导线圈1位于低温杜瓦内腔体2内部；低温杜瓦内腔体2内灌装有液氮和氟碳混合液体绝缘介质5，低温杜瓦液氮夹层3内部充有液氮；超导线圈1由液氮和氟碳混合液体绝缘介质5冷却和绝缘；液氮和氟碳混合液体绝缘介质5由制冷机10、换热器11和低温泵12迫流循环冷却。出线端子6与超导线圈1相连接，安装于低温杜瓦内腔体2的上盖板上；制冷机10和低温泵12安装于低温杜瓦外部，低温泵12与低温管道、换热器11和低温杜瓦内腔体2连接形成循环回路；制冷机10正常工作时，超导线圈1的温度为50～60K，低温杜瓦液氮夹层3中的液氮冷却为固氮；在制冷机10长时间停机时，低温杜瓦液氮夹层3中的固氮回温成液氮，低温杜瓦内腔体2中的液氮和氟碳混合液体绝缘介质5和超导线圈1的温度升至77K，通过定期补充液氮以维持液氮和氟碳混合液体绝缘介质5零挥发；低温杜瓦液氮夹层3在外侧和下部屏蔽低温杜瓦内腔体2，整体杜瓦共用同一上盖板。
以上实施例中采用的液氮和氟碳混合液体绝缘介质5为液氮和液化四氟化碳的混合物，液氮和液化四氟化碳的摩尔比为45～90％，凝固点为50～60K，泡点为80～100K，具体如图5和图6所示。液氮和液化四氟化碳在不同摩尔比情况下的直流绝缘强度如图7所示。
虽然本发明参照某些优选实施方案进行了详述，但本领域技术人员将会认识到在权利要求书的范畴内还有其它实施方案。例如，本发明超导线圈的结构还可以采用环形线圈结构。
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