一种用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置及使用方法与流程

本发明涉及超导磁悬浮列车的磁体冷却领域，尤其涉及一种超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置及使用方法。

背景技术：

磁悬浮技术可有效避免接触带来的摩擦损耗，可大大提高运行效率和设备的使用寿命。将该技术运用于列车上，即可成为磁悬浮列车。磁悬浮列车具有运行速度快，噪声小，维护费用低等优点，已成为新一代高速列车发展的主流方向之一。磁悬浮列车的悬浮与推进系统均需依靠车体上的磁体与地面磁体之间的电磁力来完成。

传统磁悬浮列车利用永磁体或电磁铁产生电磁力达到悬浮与推进的目的。传统型磁悬浮列车磁体装置无需制冷，但永磁体或电磁铁的体积大，重量大，导致了列车的载客量和速度无法进一步提升。超导现象于1911年被发现，并且由于其零电阻特性等优良特性迅速在世界范围内得到研究者们的关注。超导磁体能够产生远大于永磁体或常规电磁铁所产生磁场，且超导磁体的质量轻，体积小，在磁悬浮列车的应用中极具潜力。超导磁体中最先应用的低温超导磁体，克服了传统磁悬浮列车的缺点，使得速度进一步提升，可运行于超过600km/h的速度。但是，由于制冷机技术的限制，低温超导磁悬浮列车的磁体制冷是一大难点。随着越来越多的高临界温度的超导材料被发现，超导体发展进入高温超导时代。目前，高温超导体的临界温度已经可以达到92k，在液氮环境下即可使材料进入超导态。相较于低温超导而言，高温超导对制冷要求大大降低，使超导体的应用难度大大降低。目前，高温超导材料已经实现工业化量产，生产的超导带材能绕制成超导磁体，并能够产生传统永磁体或电磁铁无法达到的强磁场。超导磁体在具备强磁场优势的同时，保证了磁体紧凑化，轻量化的特点。基于高温超导磁体的研究，相比于低温超导磁体磁悬浮列车，高温超导磁体悬浮列车的能够克服其苛刻的制冷需求，运行成本和运行速度大大提高，同时运行稳定性与载客量问题也能够显著改善。但是，高温超导磁悬浮列车还处于研发阶段，未真正投入商业运行。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置及使用方法，使得能够兼顾多种制冷方式对车载供电容量的要求，并可以保护超导磁体免受列车运行时的振动破坏。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，获得能够兼顾多种制冷方式对车载供电容量的要求，在简化制冷方式的同时保证超导磁体的安全稳定运行，并可以保护超导磁体免受列车运行时的振动破坏的用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置及使用方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置，包括低温制冷机、导冷片、冷却腔；所述导冷片一端连接所述低温制冷机，一端连接所述冷却腔；所述冷却腔内安装有超导磁体。

进一步地，所述低温制冷机使得超导磁体的工作温度为20k-66k。

进一步地，所述冷却腔为封闭结构，包括腔体和上端盖；所述上端盖为非导磁材料，所述腔体材料为硬质阳极氧化处理的铝合金材料。

进一步地，所述铝合金材料为6063铝合金。

进一步地，所述上端盖为304型不锈钢。

进一步地，所述冷却腔内部还设置与所述上端盖相连的导冷板；所述导冷板位于所述冷却腔内部的各超导磁体之间；所述导冷板紧贴所述冷却腔内壁和各超导磁体；所述导冷板为导冷材料。

进一步地，所述导冷板与所述上端盖通过吊杆连接，所述导冷板在各磁体的四周还安装有限位板，限制超导磁体的移动；所述限位板为导冷材料。

本发明还公开了所述冷却装置的使用方法，具体包括以下步骤：

步骤1、将超导磁体安装于冷却腔内，封闭冷却腔并抽真空；

步骤2、开启低温制冷机，通过导冷片直接传导冷却冷却腔，使得所述超导磁体冷却至工作温度。

进一步地，所述步骤2在所述冷却腔中填充固氮作为冷却剂；所述导冷片通过冷却腔及所述固氮冷却剂，冷却超导磁体至工作温度

进一步地，填充固氮冷却剂的过程包括以下步骤：

步骤2.1、保持冷却腔的通气阀门打开状态，在所述冷却腔内注入液氮至给定液位高度；

步骤2.2、开启所述低温制冷机，通过导冷片冷却所述冷却腔及液氮，至液氮温度于70k，关闭所述通气阀门。

和现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明设计的制冷装置，使得高温超导磁体的制冷简单化和可靠化；

(2)通过导冷片和限位板兼顾了导冷能力和防振性能，其导冷能力与防振能力成正相关，避免了在两者中取舍的缺点；

(3)通过直接导冷或填充固氮导冷，适用供电可靠性不同的磁悬浮列车；供电可靠时，可利用直接传导制冷大大降低超导磁体冷却系统的重量；供电不可靠时，固氮较高的比热容能够在低温制冷机无法运行的情况下继续维持超导磁体工作。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置示意图；

图2是图1所示实施例的冷却腔内部结构示意图；

图3是本发明另一个较佳实施例的导冷板结构示意图；

图4是本发明的另一个较佳实施例的用于超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置使用方法中超导磁体抗振试验的测试结果图。

其中，1-低温制冷机；2-导冷片；3-上端盖；4-腔体；5-导冷板；6-超导磁体；7-限位板；8-吊杆。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

图1所示是本发明的一个较佳实施例冷却装置示意图，图2是图1所示冷却腔的内部结构图。

图1所示的冷却装置，包括低温制冷机1、导冷片2和冷却腔；导冷片2一端连接低温制冷机1，一端连接所述冷却腔；所述冷却腔内安装有超导磁体6。

本实施例的低温制冷机1直接连接导冷片2，导冷片2直接连接所述冷却腔，将低温制冷机1的冷量直接传导至所述冷却腔，结构简单，适用于低温制冷机1使得超导磁体6的工作温度为20k-66k的固氮温区。考虑到现有制冷机技术限制及低温超导磁体工作的临界温度低于20k，对于超导磁体6是低温超导磁体的情况，本发明也可以通过增设导冷片2，使得一部分导冷片2一端连接低温制冷机1的一级冷头，另一端连接所述冷却腔，另一部分导冷片2一端穿入所述冷却腔连接超导磁体6，另一端连接低温制冷机1的二级冷头。

为充分传递低温制冷机1的冷量，优选地，导冷片2材料选择高纯度的无氧铜或无氧铝；根据冷却腔1的形状和实际导冷效果的需求，选择导冷片2的数量，及与冷却腔的接触部位，如在冷却腔呈环状分散式分布、或者在超导磁体6部位附近的冷却腔表面配置更多的导冷片2。

本实施例中，导冷片2为经过绝缘浸渍的无氧铜带材。但应注意，导冷片2使用具有一定横截面的导冷材料均可以，并非限制于导冷带材编织或堆叠而成的结构。

考虑到外界环境温度一般远高于超导磁体6的临界温度，为降低热辐射及传导或对流带来无谓的冷却损耗或影响制冷效果，优选地，所述冷却腔设置为封闭结构；为防止结构在通有较大电流的超导磁体6的作用下产生涡流，并为制作工艺方便，优选地，封闭的冷却腔包括上端盖3和腔体4，且上端盖3为非导磁材料，腔体4为硬质阳极氧化处理的铝合金材料。

本实施例中，腔体4的所述铝合金材料为6063铝合金；6063铝合金绝缘性能好，并且在低温下(20k-66k)具有良好的导热性，因此在传递冷量时，整个腔体4可均匀降温；上端盖3选择304低磁导率不锈钢，以避免对超导磁体6的磁场产生干扰。

实际使用时，超导磁体6体积和重量较大，目前冷却技术限制导致低温冷却机1的功率有限，初始使用及维修后重新投入使用前需要的冷却时间往往长达数小时至数天，而造价耗费颇大的列车需要较高的使用频率才能降低成本或者盈利。为进一步提高冷却效果，降低超导磁体6的冷却时间，优选地，所述冷却腔内部还设置若干与上端盖3相连的导冷板5；导冷板5位于所述冷却腔内部的各超导磁体6之间；导冷板5紧贴所述冷却腔内壁和各超导磁体6；导冷板5为导冷材料。

同样地，考虑制造方便，导冷材料的绝缘性和在超导磁体6临界温度下的热传导性，优选地，导冷板5选择经硬质阳极氧化后的铝合金材料。

如图2所示，腔体4中的超导磁体6分为左右两组，每组4个，共8个超导磁体6。各超导磁体6之间夹有导冷板5作为冷源。导冷板5由硬质阳极氧化后的6063铝合金材质制作。该设计能够确保各超导磁体6在得到制冷的同时保持紧凑的结构。同时，导冷板5与腔体4内壁紧贴，保证低温制冷机1的冷量能够通过导冷片2均匀的传递到腔体4上，并进一步地导冷板5，最终冷却各超导磁体6。

为进一步降低外界环境热辐射、热交换对冷却装置的影响，优选地，所述冷却腔外还可以设置若干泡沫防辐射罩或真空罩。

实施例二

图3所示为本发明另一较佳实施例的导冷板结构。

考虑到本发明应用的磁悬浮列车行进过程中以及列车脱离轨道悬浮和恢复至轨道时不可避免的振动，为防止振动使得超导磁体6在冷却腔内发生移位，传统方法通过各类固定结构固定磁悬浮列车中的磁体。但传统方法，固定所述磁体的结构数量与质量正相关，而过多过重的固定结构，既影响超导磁体6的散热效果，又会给列车增加重量负荷，使得列车运行效率下降，且运行速度和载客量也相应受影响。为解决磁悬浮列车的振动问题，及磁体防振动的固定装置与制冷效果矛盾的问题，优选地，导冷板5与上端盖3通过吊杆8连接，导冷板5在各超导磁体6的四周还安装有限位板7，限制超导磁体6的移动；且限位板7为导冷材料。为避免限位板7的使用影响超导磁体6的散热效果，优选地，限位板7紧贴冷却腔内壁。

本实施例中，超导磁体6与导冷板5采用间隔安装的方式，导冷板5顶端采用吊杆支撑，侧面则为采用6063铝合金的限位板7，因此在三个运动方向上均可防止超导磁体6因振动而位移。限位板7与所述冷却腔内壁紧贴，以及超导磁体6紧贴导冷板，有效地增加超导磁体6与导冷板5的贴合面积，减少超导磁体6悬空部件的数量，既减少了磁悬浮列车运行过程中超导磁体6对振动加速度的放大，保证了磁体的机械安全性，又进一步增强对超导磁体的制冷效果。此外，采用铝制材料的导冷板5和限位板7，在保证绝缘性和良好的导温性能的基础上，还能使得整个所述冷却腔3紧凑、总重量较轻。

考虑到吊杆8需要在低温环境(20k-66k)有一定的力矩性能，且需要绝缘和低导磁率或非导磁，优选地，吊杆8选择环氧玻璃钢材料。

实施例三

本实施例通过具体实验，详细说明了本发明的超导磁悬浮列车的超导磁体冷却装置的使用方法。

步骤1、将超导磁体安装于冷却腔内，封闭冷却腔并抽真空；

步骤2、开启低温制冷机，通过导冷片直接传导冷却冷却腔，使得所述超导磁体冷却至工作温度。

步骤1中，首先将安装好超导磁体6的封闭后的冷却腔抽真空，避免水汽凝结。待抽完真空后，开启低温制冷机1，通过导冷片2、所述冷却腔及超导磁体6的一些列紧密接触，将冷量传递至超导磁体6，至超导磁体6冷却至工作温度以下。该制冷方式简单快捷，同时可大大减轻整个装的重量，非常适用于对重量敏感的设施中，但该方式对于磁悬浮列车的供电可靠性较高。对于供电可靠性不高的列车，优选地，选择通过冷却腔内填充固氮进行辅助制冷。固氮熔点为66k，其熔点低于在高温超导磁体的最高临界温度(92k)及适合运行的最高建议温度(77k)。固氮作为冷却剂填充于冷却腔内，更有利于全方位接触超导磁体6，相较于直接导冷，增加了导冷性能，还能够进一步为超导磁体6提供振动时的缓冲；此外，固氮较高的比热容具有一定的热沉，可以在低温制冷机1制冷量不足时短时提供额外的冷源，避免低温制冷机1因供电中断或损坏而使得超导磁体6失超。

考虑到固氮直接填充时作业温度较低，且填充均匀度不足，而直接填充液氮，然后再冷却液氮至固氮时，过量填充液氮容易对冷却腔密封性要求高，且容易造成冷却腔的形变(如膨胀变形)，而过液氮量不足又会导致最终固氮不能填充满冷却腔。为解决所述问题，本实施例采用通过在冷却腔上设置通气阀门解决上述不足，具体包括如下步骤：

步骤2.1、保持冷却腔的通气阀门打开状态，在所述冷却腔内注入液氮至给定液位高度；

步骤2.2、开启所述低温制冷机，通过导冷片冷却所述冷却腔及液氮，至液氮温度于70k；关闭所述通气阀门。

此外，冷却腔中首先注入一定液位的液氮，将超导磁体6浸入温度较低的液氮(标准大气压下氮气沸点77k)，有利于超导磁体6的快速冷却；且低温液氮可以提前储藏并制备，有利于节省磁悬浮列车磁体降温的维护时间。液氮刚倒入冷却腔时为77k，此时气液共存，开启通气阀门还防止氮气膨胀爆炸；当液氮冷却至70k时，为纯液态氮，此时关闭通气阀门不会导致冷却腔膨胀，还可减少冷量损失。接着，在通气阀门关闭的情况下，液氮继续冷却至66k凝固以及更低的温度

为进一步说明本发明的限位板7对超导磁体6的振动缓冲作用，本实施例还搭建了硬件平台进行了实际试验，实验结果如图4所示。

本实施例中，冷却装置包括低温制冷机1、无氧铜材料的导冷片2、低导磁率不锈钢材料的上端盖3和铝合金材料的腔体4，以及铝合金材料的导冷板5、铝合金材料的限位板7和吊杆8；腔体4中的超导磁体6分为左右两组，每组4个，共8个超导磁体6；超导磁体6与导冷板5采用间隔安装的方式，导冷板5顶端采用吊杆支撑，侧面则为采用6063铝合金的限位板7；限位板7和导冷板5均紧贴超导磁体6及腔体4。同样条件下，常温条件下的振动加速度比采用直接传导冷却或固氮辅助制冷制冷方式更剧烈。为充分证明限位板7对超导磁体6的振动缓冲作用，本实施例是在常温条件下实施的试验。

图4中，曲线1为存在导冷板5及限位板7时超导磁体6的在各种频率下振动加速度，曲线2为没有导冷板5及限位板7时的实验结果。从图4可以看出，在参考振动加速度为15g，频率为5～350hz的振动(高速磁悬浮列车的运行工况)，当存在导冷板5及限位板7与超导磁体6贴合时，超导磁体6对振动加速度的放大远小于没有贴合的情况。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。