一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)磁體支撐裝置，具體的是應(yīng)用在40-T級混 合磁體外超導(dǎo)磁體上一種高強(qiáng)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(xué)工程"穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置"的建設(shè)，其目標(biāo)之一是建設(shè) 一臺(tái)40-T級穩(wěn)態(tài)混合磁體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝 置，將為我國在材料科學(xué)、化學(xué)、生物等學(xué)科的前沿研究提供強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。40-T級 混合磁體由外超導(dǎo)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(qiáng)；外超導(dǎo)磁體采用Nb3Sn CICC (Cable-in-Conduit Conductor)導(dǎo)體進(jìn)行連續(xù)繞制并在4. 5K溫度下運(yùn)行可產(chǎn)生11 T中心 場強(qiáng)并為水冷磁體提供0800 mm安裝孔徑。
[0003] 外超導(dǎo)磁體支撐裝置是混合磁體外超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中連接超導(dǎo)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(dòng)力載荷的作用。這 些電動(dòng)力載荷主要由于超導(dǎo)磁體與水冷磁體之間的加工與裝配尺寸誤差導(dǎo)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(dòng)力Fz，徑向誤差可引起徑向電動(dòng)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(huì)使水冷磁體磁中心沿軸向產(chǎn)生較大偏差，從而 使超導(dǎo)磁體產(chǎn)生巨大軸向電動(dòng)力（約270噸拉/壓載荷）；等等。這些復(fù)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(shí)連接著4. 5K低溫端（即超導(dǎo)磁體)和 常溫端（即杜瓦底座)，兩個(gè)端面之間有很大溫度梯度，它作為導(dǎo)熱媒介會(huì)對4. 5K低溫端產(chǎn) 生較大傳導(dǎo)漏熱，這樣額外地增加了氦制冷機(jī)的能力與運(yùn)行成本。因此，外超導(dǎo)磁體支撐裝 置不僅要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以保證超導(dǎo)磁體在各種工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還要盡量 減少其對超導(dǎo)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(dǎo)磁體高強(qiáng)環(huán)氧筒式支撐裝置，充分考慮了高強(qiáng)度與 低漏熱相結(jié)合的原則，一方面可為混合磁體外超導(dǎo)磁體提供有效且可靠的支撐，以保證超 導(dǎo)磁體能夠正常運(yùn)行；另一方面最大程度上降低了對外超導(dǎo)磁體4. 5K液氦溫區(qū)的傳導(dǎo)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(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)室45T混合磁體外超 導(dǎo)磁體系統(tǒng)中支撐裝置采用變截面的筒式高強(qiáng)不銹鋼結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保證具有足夠的強(qiáng)度但 漏熱量較大；目前國內(nèi)并未研制出同類型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，已有的少數(shù)大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，如 EAST超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置中縱場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)采用16個(gè)分離的高強(qiáng)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(dǎo)磁體支撐裝置可為以后其他類似的承受各種復(fù) 雜載荷的大型超導(dǎo)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(dǎo)磁體提供一種高強(qiáng)度低漏熱支撐裝置， 首先解決40-T級混合磁體外超導(dǎo)磁體在正常運(yùn)行和故障態(tài)時(shí)所受到的巨大的電磁力對磁 體系統(tǒng)造成負(fù)面影響的問題，以提高機(jī)械穩(wěn)定性和運(yùn)行穩(wěn)定性；其次最大程度上減少對液 氦溫區(qū)的傳導(dǎo)漏熱，以最經(jīng)濟(jì)的方式降低運(yùn)行成本。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)有環(huán)形凸起，兩個(gè)環(huán)形凸起中分別設(shè)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(shè)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(shè)在環(huán)氧支撐 筒的上、下端；環(huán)氧支撐筒中部設(shè)有液氮冷卻管路。
[0007] 所述的一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)磁體支撐裝置，其特征在于：所述的螺栓采用兩 組共48個(gè)M24mm六角頭鉸制孔用螺栓，抗剪定位銷采用兩組共24個(gè)020mm抗剪定位銷。
[0008] 所述的一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(gè)金屬弧段進(jìn)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(qiáng)焊焊接成一體。
[0009] 所述的一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)磁體支撐裝置，其特征在于：所述的液氮冷卻管 路由兩個(gè)矩形截面的半圓形管路組成，并設(shè)置有兩進(jìn)兩出管口用于與外超導(dǎo)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(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)磁體支撐裝置，其特征在于：所述的上、下端板上 各設(shè)置24個(gè)033mm螺栓通孔和2個(gè)024mm定位銷孔，可與外超導(dǎo)磁體下端板及外超導(dǎo)磁體 杜瓦底座進(jìn)行連接與固定。
[0011] 所述的一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(shè)的高強(qiáng)玻纖為增強(qiáng)基體的復(fù)合材料制成的環(huán)氧支撐筒。
[0012] 本發(fā)明的高強(qiáng)度低漏熱的支撐裝置用于40-T級混合磁體外超導(dǎo)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(jìn)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(dá)到了實(shí)際使用要求并 具有足夠的安全裕度且對外超導(dǎo)磁體4. 5 K低溫端的漏熱量僅為11. 33W。
[0013] 表1、超導(dǎo)磁體支撐結(jié)構(gòu)的各種載荷工況
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是： 本發(fā)明起到支撐外超導(dǎo)磁體自身重力以及承擔(dān)與傳遞外超導(dǎo)磁體在正常運(yùn)行時(shí)和故 障態(tài)下所產(chǎn)生的各種電動(dòng)力載荷的作用，同時(shí)最大程度上降低了對外超導(dǎo)磁體4. 5K液氦 溫區(qū)的傳導(dǎo)漏熱。
[0014] 本發(fā)明的支撐裝置主體采用高強(qiáng)玻纖為增強(qiáng)基體的環(huán)氧支撐筒式結(jié)構(gòu)，其高強(qiáng)玻 纖采用多方向交叉鋪設(shè)，能夠承受復(fù)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(shè)計(jì)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(shí)所受載荷的能力。
[0016] 本發(fā)明的超導(dǎo)磁體支撐裝置保證了強(qiáng)度的同時(shí)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(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)磁體支撐裝置中環(huán)氧支撐筒制造時(shí)成型模具結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖6為本發(fā)明超導(dǎo)磁體支撐裝置中環(huán)氧支撐筒制造時(shí)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(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明： 實(shí)施例1:圖1、2、3、7所示為一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)磁體支撐裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖。 一種高強(qiáng)度低漏熱的超導(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)有環(huán)形凸 起11，兩個(gè)環(huán)形凸起11中分別設(shè)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(shè)有與環(huán)氧支撐筒6上