一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，具體的是應用在40-T級混 合磁體外超導磁體上一種高強度環(huán)氧筒式為主體的支撐裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] "十一五"國家重大科學工程"穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置"的建設，其目標之一是建設 一臺40-T級穩(wěn)態(tài)混合磁體實驗裝置，該裝置建成將成為國內(nèi)產(chǎn)生最高穩(wěn)態(tài)磁場的實驗裝 置，將為我國在材料科學、化學、生物等學科的前沿研究提供強有力的實驗平臺。40-T級 混合磁體由外超導磁體和內(nèi)水冷磁體組成，其中：內(nèi)水冷磁體采用"Florida-Bitter"類型 的有阻磁體并在032 mm室溫孔徑內(nèi)產(chǎn)生33-34T中心場強；外超導磁體采用Nb3Sn CICC (Cable-in-Conduit Conductor)導體進行連續(xù)繞制并在4. 5K溫度下運行可產(chǎn)生11 T中心 場強并為水冷磁體提供0800 mm安裝孔徑。
[0003] 外超導磁體支撐裝置是混合磁體外超導磁體系統(tǒng)中連接超導線圈和杜瓦底座的 關(guān)鍵部件，它起到支撐線圈自身重力以及傳遞線圈所產(chǎn)生的各種電動力載荷的作用。這 些電動力載荷主要由于超導磁體與水冷磁體之間的加工與裝配尺寸誤差導致它們的磁 中心不重合而引起，這些誤差可分為軸向誤差（AZ)、徑向誤差（AR)和中心軸夾角誤差 (A 0 )。軸向誤差可引起線圈之間沿軸向電動力Fz，徑向誤差可引起徑向電動力？1?，中心軸 夾角誤差可引起傾覆力矩M e。另外還可能是由于水冷磁體中Bitter片大范圍短路，如一 半水冷磁體失效這種特殊情況的發(fā)生，這會使水冷磁體磁中心沿軸向產(chǎn)生較大偏差，從而 使超導磁體產(chǎn)生巨大軸向電動力（約270噸拉/壓載荷）；等等。這些復雜的組合載荷需要 通過支撐裝置傳遞至杜瓦底座。此外，該支撐裝置同時連接著4. 5K低溫端（即超導磁體)和 常溫端（即杜瓦底座)，兩個端面之間有很大溫度梯度，它作為導熱媒介會對4. 5K低溫端產(chǎn) 生較大傳導漏熱，這樣額外地增加了氦制冷機的能力與運行成本。因此，外超導磁體支撐裝 置不僅要有足夠的機械強度以保證超導磁體在各種工況下的安全穩(wěn)定運行，同時還要盡量 減少其對超導磁體4. 5K低溫端產(chǎn)生的漏熱量。
[0004] 一種40-T級混合磁體外超導磁體高強環(huán)氧筒式支撐裝置，充分考慮了高強度與 低漏熱相結(jié)合的原則，一方面可為混合磁體外超導磁體提供有效且可靠的支撐，以保證超 導磁體能夠正常運行；另一方面最大程度上降低了對外超導磁體4. 5K液氦溫區(qū)的傳導漏 熱，并使其漏熱量控制在合理范圍。目前國外如美國國家強磁場實驗室45T混合磁體外超 導磁體系統(tǒng)中支撐裝置采用變截面的筒式高強不銹鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保證具有足夠的強度但 漏熱量較大；目前國內(nèi)并未研制出同類型超導磁體系統(tǒng)，已有的少數(shù)大型超導磁體系統(tǒng)，如 EAST超導托卡馬克實驗裝置中縱場超導磁體系統(tǒng)采用16個分離的高強不銹鋼板式與環(huán)氧 筒式相結(jié)合的柔性結(jié)構(gòu)；因此本發(fā)明的超導磁體支撐裝置可為以后其他類似的承受各種復 雜載荷的大型超導磁體系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)的研制提供很好的借鑒。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的為40-T級混合磁體外超導磁體提供一種高強度低漏熱支撐裝置， 首先解決40-T級混合磁體外超導磁體在正常運行和故障態(tài)時所受到的巨大的電磁力對磁 體系統(tǒng)造成負面影響的問題，以提高機械穩(wěn)定性和運行穩(wěn)定性；其次最大程度上減少對液 氦溫區(qū)的傳導漏熱，以最經(jīng)濟的方式降低運行成本。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：包括有上端板、環(huán)氧支撐筒、下 端板、液氮冷卻管路，上端板的下端面上垂直設有上環(huán)形襯板、上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板，上環(huán)形 襯板的內(nèi)徑大于上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板的內(nèi)徑，上環(huán)形襯板與上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板之間留有縫 隙；下端板的上端面上垂直設有下環(huán)形襯板、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板，下環(huán)形襯板的內(nèi)徑大于下 環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板的內(nèi)徑，下環(huán)形襯板與上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板之間留有縫隙；環(huán)氧支撐筒的上、 下端內(nèi)側(cè)分別設有環(huán)形凸起，兩個環(huán)形凸起中分別設有不銹鋼圓環(huán)，上、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板 的外側(cè)壁上分別設有與環(huán)氧支撐筒上的環(huán)形凸起相配合的環(huán)形凹槽；上環(huán)形襯板、上環(huán)形 內(nèi)側(cè)連接板與下環(huán)形襯板、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板分別通過螺栓、抗剪定位銷卡設在環(huán)氧支撐 筒的上、下端；環(huán)氧支撐筒中部設有液氮冷卻管路。
[0007] 所述的一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：所述的螺栓采用兩 組共48個M24mm六角頭鉸制孔用螺栓，抗剪定位銷采用兩組共24個020mm抗剪定位銷。
[0008] 所述的一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：所述的上、下環(huán)形襯 板和上、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板從環(huán)氧支撐筒內(nèi)部安裝，并在圓周向分成六個金屬弧段進行分 段安裝，安裝完畢后對金屬弧段之間易于焊接的位置采用斷續(xù)加強焊焊接成一體。
[0009] 所述的一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：所述的液氮冷卻管 路由兩個矩形截面的半圓形管路組成，并設置有兩進兩出管口用于與外超導磁體80K冷屏 的主氮路連接；液氮冷卻管路放置在靠近環(huán)氧支撐筒的室溫端的一端，即放置在離環(huán)氧支 撐筒的室溫端距離為240mm處，并采用螺栓夾緊和常溫固化環(huán)氧膠粘接固定在環(huán)氧支撐筒 外側(cè)。
[0010] 所述的一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：所述的上、下端板上 各設置24個033mm螺栓通孔和2個024mm定位銷孔，可與外超導磁體下端板及外超導磁體 杜瓦底座進行連接與固定。
[0011] 所述的一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其特征在于：所述的環(huán)氧支撐筒 是以多方向交叉鋪設的高強玻纖為增強基體的復合材料制成的環(huán)氧支撐筒。
[0012] 本發(fā)明的高強度低漏熱的支撐裝置用于40-T級混合磁體外超導磁體結(jié)構(gòu)中，通 過對多次經(jīng)過室溫與77K液氮溫度"冷熱循環(huán)"后的支撐裝置進行各種載荷工況(見表1)及 其組合載荷工況的測試以及傳熱測試，表明該結(jié)構(gòu)的承載能力能夠達到了實際使用要求并 具有足夠的安全裕度且對外超導磁體4. 5 K低溫端的漏熱量僅為11. 33W。
[0013] 表1、超導磁體支撐結(jié)構(gòu)的各種載荷工況
本發(fā)明的優(yōu)點是： 本發(fā)明起到支撐外超導磁體自身重力以及承擔與傳遞外超導磁體在正常運行時和故 障態(tài)下所產(chǎn)生的各種電動力載荷的作用，同時最大程度上降低了對外超導磁體4. 5K液氦 溫區(qū)的傳導漏熱。
[0014] 本發(fā)明的支撐裝置主體采用高強玻纖為增強基體的環(huán)氧支撐筒式結(jié)構(gòu)，其高強玻 纖采用多方向交叉鋪設，能夠承受復雜的組合載荷。
[0015] 本發(fā)明中環(huán)氧支撐筒與金屬部件的連接采用包納方式，環(huán)氧支撐筒上下端頭優(yōu)化 設計為圓弧形結(jié)構(gòu)，其圓弧形中心放置不銹鋼圓環(huán)，來提高傳遞承拉時所受載荷的能力。
[0016] 本發(fā)明的超導磁體支撐裝置保證了強度的同時減少了漏熱量，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，重 量輕且安全可靠。
[0017]
【附圖說明】： 圖1為本發(fā)明一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖2為圖1的A部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019] 圖3為圖1的B部放大結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明超導磁體支撐裝置中環(huán)氧支撐筒部件示意圖。
[0021] 圖5為本發(fā)明超導磁體支撐裝置中環(huán)氧支撐筒制造時成型模具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖6為本發(fā)明超導磁體支撐裝置中環(huán)氧支撐筒制造時玻璃纖維布鋪層工藝示意 圖。
[0023] 圖7為本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明： 實施例1:圖1、2、3、7所示為一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖。 一種高強度低漏熱的超導磁體支撐裝置，其主體結(jié)構(gòu)主要包括：上端板1、上環(huán)形襯板2、上 環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板3、M24mm六角頭鉸制孔用螺栓4、020mm抗剪定位銷5、環(huán)氧支撐筒6、下環(huán) 形襯板7、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板8、下端板9和液氮冷卻管路10,上端板1的下端面上垂直設有 上環(huán)形襯板2、上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板3,上環(huán)形襯板2的內(nèi)徑大于上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板3的內(nèi)徑， 上環(huán)形襯板2與上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板3之間留有縫隙；下端板9的上端面上垂直設有下環(huán)形 襯板7、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板8,下環(huán)形襯板7的內(nèi)徑大于下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板8的內(nèi)徑，下環(huán)形 襯板7與上環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板8之間留有縫隙；環(huán)氧支撐筒6的上、下端內(nèi)側(cè)分別設有環(huán)形凸 起11，兩個環(huán)形凸起11中分別設有不銹鋼圓環(huán)12,上、下環(huán)形內(nèi)側(cè)連接板3、8的外側(cè)壁上 分別設有與環(huán)氧支撐筒6上