一种超导磁体与制冷组件的脱机系统

技术领域

本申请属于超导应用技术领域，尤其涉及一种超导磁体与制冷组件的脱机系统。

背景技术

超导磁体是磁浮列车的关键核心部件，主要为磁浮列车提供牵引、悬浮、导向所需的强大磁场。

超导磁体需要在原理样机阶段开展相关性能的试验测试，以满足其高安全性、高可靠性的服役要求。部分测试中，要求超导磁体在工作状态下与制冷组件脱离，即在脱机状态下进行测试，测试结束后又需要重连制冷组件并使其工作，以恢复超导磁体内部温度，排出因脱机而产生的热量。该脱机及重连过程一般希望是无损的、可逆的，以便为下一次脱机试验提供一致的超导磁体内部温度条件，该温度条件是超导磁体性能的直接影响因素。

现有的超导磁体的与制冷组件的脱机装置中的导冷界面在脱机后直接暴露在空气中，在重连之前需要较长时间处理导冷界面结霜等问题，从而影响该超导磁体的测试效率及超导线圈温度；并且，重连过程中会有杂气混入，从而影响制冷组件重连后超导磁体的工作状态恢复；综上所述，该超导磁体与制冷组件的脱机装置的可靠性低。

有鉴于此，本申请提供一种超导磁体与制冷组件的脱机系统，以用于解决现有的超导磁体与制冷组件的脱机装置可靠性低的问题。

为解决上述问题，本申请提供如下方案：

一种超导磁体与制冷组件的脱机系统，包括：氦气管组、冷头、自密封接头组、二位四通阀组、压缩机及为压缩机供电的电源；其中：

氦气管组包括第一氦气管路和第二氦气管路；

冷头的出气管通过第一氦气管路与压缩机的回气管连接，冷头的进气管通过第二氦气管路与压缩机的出气管连接；且冷头的出气管、冷头的进气管、压缩机的回气管和压缩机的出气管均设置有自密封接头，自密封接头用于实现连接或断开氦气管路；

二位四通阀组包括第一二位四通阀和第二二位四通阀，第一二位四通阀串接于冷头的出气管和冷头的进气管之间，用于控制冷头的工作状态，以匹配脱机运行工况或重连工况；第二二位四通阀串接于压缩机的回气管与压缩机的出气管之间，用于控制压缩机的工作状态，以匹配平衡气压工况或正常工况。

可选的，还包括球阀组；

球阀组包括第一球阀和第二球阀；第一球阀设置于压缩机的回气管处，用于在维护工况下关断压缩机的回气管；第二球阀设置于压缩机的出气管处，用于在维护工况下关断压缩机的出气管。

可选的，还包括压力表组，用于显示氦气管路中的压力；

压力表组包括第一压力表和第二压力表；第一压力表与第一二位四通阀连接；第二压力表与第二二位四通阀连接。

可选的，还包括针阀组，用于泄压；

针阀组包括第一针阀和第二针阀；第一针阀与第一二位四通阀连接；第二针阀与第二二位四通阀连接。

可选的，还包括可调压力泄压阀；

可调压力泄压阀与第一二位四通阀连接，用于排出在氦气管路中的残留气体。

可选的，在脱机运行状态下，其中：

电源为关闭状态；

第一氦气管路和第二氦气管路处于断开状态；

通过调整第一二位四通阀使冷头处于脱机运行工况；通过调整第二二位四通阀，使压缩机处于平衡气压工况。

可选的，还包括：

当达到可调压力泄压阀的预设起跳点时，可调压力泄压阀开始泄压，完成泄压后自动关闭。

可选的，在重连状态下，其中：

电源为开启状态；

第一氦气管路和第二氦气管路处于连通状态；

通过调整第一二位四通阀，使冷头处于重连工况。

可选的，还包括维护状态；

维护状态包括车载侧维护状态、地面侧维护状态和可调压力泄压阀设置状态；车载侧为冷头所在侧，地面侧为压缩机所在侧。

可选的，包括：

在车载侧维护状态下，通过调整第一二位四通阀，使冷头处于脱机运行工况，打开第一针阀将车载侧的氦气管路排空后关闭；

在地面侧的维护状态下，通过调整第二二位四通阀，使压缩机处于平衡气压工况，并打开第二针阀将地面侧的氦气管路排空后关闭；

在可调压力泄压阀设置状态下，通过调整第一二位四通阀，使冷头处于脱机运行工况，观察第一压力表，调整可调压力泄压阀，直到第一压力表显示到所需设置的压力示数。

由以上方案可知，本申请公开的超导磁体与制冷组件的脱机系统，包括氦气管组、冷头、自密封接头组、二位四通阀组、压缩机和为压缩机供电的电源，本申请中通过氦气管组连接压缩机与冷头，使用氦气作为与导冷界面接触的介质，在氦气管路连接和断开处设置自密封接头，能够避免出现导冷界面结霜等问题，大大缩短了系统脱机重连的时间。并且，在整个脱机重连过程中无杂气混入，提高了超导磁体与制冷组件的脱机系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的超导磁体与制冷组件的脱机系统的组成结构图；

图2是本申请提供的超导磁体与制冷组件的脱机系统的组成结构示例图。

图例说明：第一氦气管路1、第二氦气管路2、冷头的出气管3、冷头的进气管4、压缩机的回气管5、压缩机的出气管6、自密封接头7、第一二位四通阀8、第二二位四通阀9、第一球阀10、第二球阀11、第一压力表12、第二压力表13、第一针阀14、第二针阀15、可调压力泄压阀16、电源17。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。

需要注意，本申请中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本申请中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

超导磁体是使用超导线圈制成的电磁体，能够在极低温度下无电阻和无磁损耗的情况下传导电流，并在其周围产生强大的磁场，在低于其临界温度时，超导磁体能保持超导状态。超导磁体包括高温超导磁体，高温超导磁体是应用高温超导带材绕制线圈，励磁后能够形成强磁场的装置，是磁浮列车的关键核心部件。需要在原理样机阶段开展相关试验测试，比如车辆电动悬浮测试、牵引力测试和速度曲线测试等等。

其中，在缩比磁浮试验中，缩比磁浮试验车辆为最小系统，采用蓄电池供电，车上供电无法满足超导磁体低温制冷系统的能耗要求，无法满足大功率消耗。故，在已知技术中，采用地面供电的方式为超导磁体制冷机持续供给电能。同时，小型化的试验车辆的装载能力有限，无法将低温制冷系统的压缩机、水冷机装车。综上所述，现有的超导磁体的测试试验中，车载供电和载重都无法满足超导磁体制冷组件的工作要求。

超导磁体的测试试验中，从供电和载荷角度出发，对超导磁体提出能够脱离低温制冷组件运行的要求，以及，在试验结束后，能够重新接入低温制冷组件且能够恢复脱离之前的状态。

实际测试中，超导磁体在脱离低温制冷组件后，内部超导材料的环境温度会逐渐升高，当达到超导材料的失超温度时，超导磁体会发生退磁现象，无法保障试验系统的测试要求；同时，超导磁体需要考虑脱机运行的最大时长，在实际测试中，现有的超导磁体的测试装置在脱机运行工况下的导冷界面会出现结霜等问题，因此，在进行重连操作之前需要对导冷界面进行除霜处理等操作，这会占用一定的时间，若脱离、重连制冷机的过程消耗的时间越长，相应的，可用的测试时间就越短，无法保障超导磁体测试的有效性以及测试效率；现有的超导磁体与制冷组件的脱机重连进行测试的试验过程中，重连过程中会混入杂气，影响超导磁体的测试效果，综上所述，现有的超导磁体与制冷组件的脱机装置的可靠性低。

为了解决上述问题，本申请提供了一种超导磁体与制冷组件的脱机系统。

参见图1，本申请提供的超导磁体与制冷组件的脱机系统的组成结构图。

超导磁体与制冷组件的脱机系统包括氦气管组、冷头、自密封接头组、二位四通阀组、压缩机以及为压缩机供电的电源17。其中，电源17可以设置在压缩机中，也可以设置在配电柜中。

对于本方案，发明人提出分为车载侧和地面侧，将冷头、部分氦气管路留置在车上、氦气压缩机、水冷机和剩余氦气管路置于地面，通过在氦气管路中加装组件，使超导磁体快速无损的脱离低温制冷系统（还可以称为制冷机或制冷组件）；分为车载侧和地面侧可以保证供电满足超导磁体低温制冷系统的能耗要求，满足大功率消耗的需求。需要说明的是，低温制冷系统主要是为超导磁体提供低温环境的装备。

如图1所示，氦气管组包括第一氦气管路1和第二氦气管路2，冷头的出气管3通过第一氦气管路1与压缩机的回气管5连接，冷头的进气管4通过第二氦气管路2与压缩机的出气管6连接。需要说明的是，冷头是制冷设备的组件，制冷端为铜块，与需要冷却的结构相连接，冷头与氦气管路组连接，氦气管路中的氦气作为冷却工质实现对超导线圈的恒定低温冷却。并且，冷头安装在车辆上的超导磁体中，压缩机安装在地面上，可以理解的是，氦气管路组连接了地面与车载的部件。

自密封接头组中的各个自密封接头7安装在冷头的出气管3、冷头的进气管4、压缩机的回气管5和压缩机的出气管6处，自密封接头主要用于连接或断开超导磁体，自密封接头7会在断开氦气管路组后，自动密封，保证外界空气不会污染原管路内的高纯氦气，从而避免杂气混入影响制冷效率。

具体的，参见图2，本申请提供的超导磁体与制冷组件的脱机系统的组成结构示例图，自密封接头组分为公头和母头，公头可以为7、19、21、23、25、27，对应的母头可以为18、20、22、24、26、28，可以理解的是，自密封接头组中自密封接头成对出现，也可以互换位置。

二位四通阀组包括第一二位四通阀8和第二二位四通阀9，第一二位四通阀8位于车载侧，串接于冷头的出气管3和冷头的进气管4之间，主要用于控制冷头的工作状态，冷头的工作状态主要包括脱机运行工况和重连工况。可以通过调节第一二位四通阀8的阀位控制冷头的工作状态，匹配脱机运行工况或重连工况。

第二二位四通阀9串接于压缩机的回气管5和压缩机的出气管6之间，主要用于控制压缩机的工作状态，压缩机的工作状态主要包括平衡气压工况和正常工况，可以通过调节第二二位四通阀9控制压缩机的工作状态，匹配平衡气压工况或正常工况。需要说明的是，正常工况是可以制冷工作的工况，压缩机的出气管6提供高压力的氦气给冷头、压缩机的回气管5将冷头排出的低压力氦气送回压缩机。氦气在该过程中作为制冷工质在氦气管路内往复流动并带走冷头冷端的热量。

对于超导磁体与制冷组件的脱机系统，还包括球阀组、压力表组、针阀组和可调压力泄压阀16。

对于球阀组，只设置在地面侧，球阀组包括第一球阀10和第二球阀11，第一球阀10设置于压缩机的回气管5处，主要用于关断压缩机的回气管5，比如，在维护工况下通过第一球阀10关断压缩机的回气管5；第二球阀11设置于压缩机的出气管6处，主要用于关断压缩机的出气管6，比如在维护工况下通过第二球阀11关断压缩机的出气管6。

对于压力表组，包括第一压力表12和第二压力表13，主要用于显示氦气管路中的压力。第一压力表12与第一二位四通阀8连接，第二压力表13与第二二位四通阀9连接。需要说明的是，当压缩机的工作状态处于正常工况时，压缩机回气管5和压缩机出气管6内部的的压差不同，当压缩机的工作状态处于平衡气压工况时，压缩机回气管5和压缩机出气管6内部经无气体流动，第二压力表13示数稳定。

对于针阀组，包括第一针阀14和第二针阀15，针阀组主要用于泄压，应用在维护工况下。第一针阀14与第一二位四通阀8连接，第二针阀15与第二二位四通阀9连接。具体的，针阀可以手动进行泄压操作。

对于可调压力泄压阀16，主要用于排出氦气管路中因温度升高后压力增加而产生的残留气体，可调压力泄压阀16与第一二位四通阀8连接。具体的，可调压力泄压阀16可以设置起跳点，比如将起跳点设置为氦气管路允许最高压力以下2Bar。

综上所述，本申请公开的超导磁体与制冷组件的脱机系统，包括氦气管组、冷头、自密封接头组、二位四通阀组、压缩机和为压缩机供电的电源，本申请中通过氦气管组连接压缩机与冷头，使用氦气作为与导冷界面接触的介质，在氦气管路连接和断开处设置自密封接头，能够避免出现导冷界面结霜等问题，大大缩短了系统脱机重连的时间。并且，在整个脱机重连过程中无杂气混入，提高了超导磁体与制冷组件的脱机系统的可靠性。

对于上述超导磁体与制冷组件的脱机系统，主要包括三种状态：脱机运行状态、重连状态和维护状态。

将超导磁体与制冷组件的脱机系统调整为脱机运行状态包括以下操作：

1）关闭为压缩机供电的电源17。

2）手动调整第一二位四通阀8的阀位，将冷头调整为脱机运行工况。

3）手动调整第二二位四通阀9的阀位，将压缩机调整为平衡气压工况，使第一氦气管路1和第二氦气管路2的内压平衡，之后，第二二位四通阀9会自动回位到正常工况下的阀位。

4）断开自密封接头19、自密封接头20和自密封接头25、自密封接头26之间的连接，完成脱机运行操作。

综上所述，脱机状态涉及到的各个部件的状态为：电源17为关闭状态，第一氦气管路1和第二氦气管路2处于断开状态，冷头处于脱机运行工况、压缩机处于平衡气压工况。

需要说明的是，脱机状态下氦气管路中残余的气体会在升温的过程中压力逐渐升高，当达到可调压力泄压阀16预设的起跳点时，管路内部开始泄压，完成泄压后可调压力泄压阀16会自动关闭，可调压力泄压阀16的设置可以避免氦气管路损坏，延长氦气管路的使用寿命。

将超导磁体与制冷组件的脱机系统调整为重连状态包括以下操作：

1）连接自密封接头19和自密封接头20、自密封接头25和自密封接头26之间的连接。

2）手动调整第一二位四通阀8，将冷头调整为重连工况。

3）打开电源17，完成重连操作。

综上所述，重连状态涉及到的各个部件的状态为：电源17为开启状态，第一氦气管路1和第二氦气管路2处于连通状态，冷头处于重连工况。

对于维护状态对应的维护工况，主要包括车载侧维护状态、地面侧维护状态和可调压力泄压阀设置状态。

车载侧维护状态主要为维护冷头所在侧部件时超导磁体与制冷组件的脱机系统所处的状态。对超导磁体与制冷组件的脱机系统的操作如下：

1）通过操作第一二位四通阀8将冷头调整为脱机运行工况。

2）打开第一针阀14将车载侧的氦气管路排空后关闭，当氦气管路中压力较大的时候，无法更换组件，故，本步骤采用针阀进行泄压。

地面侧维护状态主要为维护压缩机所在侧部件时超导磁体与制冷组件的脱机系统所处的状态。对超导磁体与制冷组件的脱机系统的操作如下：

1）通过操作第二二位四通阀9将压缩机调整为平衡气压工况。

2）打开第二针阀15将地面侧的氦气管路排空后关闭。

在可调压力泄压阀设置状态下，调整第一二位四通阀8，使冷头处于脱机运行工况，观察第一压力表12，调整可调压力泄压阀16，直到第一压力表12显示到所需设置的压力示数。

综上所述，本申请提供的超导磁体与制冷组件的脱机系统的脱离运行方式操作简单快捷，易于实现，在实际应用中实测20秒即可完成脱机或重连流程，为车辆测试预留了充足的时间。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一、第二、第三和第四等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。