一种超导磁体综合功能服务塔的制作方法

1.本发明属于超导磁体技术领域，尤其涉及一种集成机械接口和电气接口的超导磁体综合功能服务塔。


背景技术：

2.当前工业领域和医疗影像领域所使用的超导磁体仍然以使用液氦冷却为主。本发明专利是此类超导磁体的关键组成部件，除接口以外整体密封采用焊接形式。上述类型超导磁体的一般结构可以描述如下：超导线圈或线圈组被封装在氦容器中并利用液氦来冷却；氦容器被冷屏包围，冷屏被真空容器包围，冷屏的作用在于消除氦容器上的大部分辐射漏热；氦容器与真空容器之间的密闭空间被称作夹层真空，用以提高磁体的绝热性能。氦容器内的超导线圈电流需要从真空容器外部引入，监视信号需要引到真空容器外部，初始时液氦需要从真空容器外部注入到氦容器内部，磁体正常工作时需要氦制冷机在氦容器内生产液氦。夹层真空的抽口需要设置在真空容器表面，监视信号需要引到真空容器外部。一般的做法是把氦容器和夹层与外界连接的所有接口集成在外观呈圆柱状的上表面。上述领域使用的超导磁体主体部分外观呈中空圆柱体，所述集成部件通常被垂直安置于主体部分外表面的轴向中心位置，历史上自然形成的称谓是颈管或颈管组合，而“服务塔”则与英文直译相对应，经常用于更加正式的场合。由于在低温漏热方面具有显著优势，单服务塔结构最为流行。
3.本发明专利主要设计人曾于2018年向中国专利局申请了“一种结构紧凑的颈管组合结构”的发明专利，并于2020年获得发明专利权（专利号cn108806916b）。该专利部件在实施过程中发现存在如下问题：1. 由于空间限制，过渡连接件与上波纹管侧壁和室温法兰之间的焊接质量难以保证；2. 铜引线穿过过渡连接件以后活动空间受限，导致常温电极与铜引线连接后与室温法兰之间的真空密封连接困难。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为液氦冷却超导磁体提供一种组装工艺更加合理的超导磁体综合功能服务塔，以解决原专利产品存在的上述问题。
5.氦容器外筒203，冷屏外筒202，真空容器外筒201的超导磁体上，本发明是通过以下技术方案来实现的：一种超导磁体综合功能服务塔101，用于被安装到外部由内到外分别是氦容器203，冷屏202，真空容器201的超导磁体上，所述服务塔101包括室温法兰1、一级法兰2、二级法兰3、上波纹管4、下波纹管5、气盒6、2个室温电极7、制冷剂注液口8、连接结构、2根高温超导电流引线17；所述室温法兰1、上波纹管4、一级法兰2、下波纹管5和二级法兰3依次焊接在一起，内部彼此连通形成服务塔101的内部空间；所述二级法兰3与所述氦容器203的开口焊
接在一起，以使得服务塔101的内部空间与氦容器203的内部空间相连通；所述室温法兰上设有制冷机冷头室温插孔k1，一制冷机冷头组件102通过所述制冷机冷头室温插孔k1被插入到服务塔101中，并在制冷机冷头室温插孔k1的孔口处形成密封连接，所述氦容器与真空容器之间形成夹层真空；包裹住室温法兰1、一级法兰2、二级法兰3、上波纹管4、下波纹管5的，所述服务塔101的外侧还设有服务塔外筒205，所述室温法兰1通过所述服务塔外筒205与真空容器201的开口焊接在一起，以使得服务塔外筒205所包围的内部空间与所述夹层真空相连通；所述气盒6设置在室温法兰1的顶端面上，两个室温电极7和制冷剂注液口8均设置在气盒6上，制冷剂注液口8中插入有制冷剂注液管，两个室温电极7分别通过连接结构与另一端与超导磁体的超导线圈电连接的两根高温超导电流引线17相连；所述连接结构、两根高温超导电流引线17和制冷剂注液管均被包含在所述服务塔101的内部空间。
6.作为优选，所述制冷机冷头组件102通过所述制冷机冷头室温插孔k1被插入到服务塔101中，并在制冷机冷头室温插孔k1孔口处通过o形橡胶圈形成密封连接。
7.作为优选，所述连接结构包括2根引线15和一级法兰电连接器16，所述一级法兰电连接器16设置在一级法兰2上，两个室温电极7分别与两根引线15相连，两根引线15的另一端通过两个一级法兰电连接器16分别与两根高温超导电流引线17相连，两根高温超导电流引线17的另一端分别与超导线圈的两根引线相连以实现超导线圈与外界的电气连接。更优地，所述引线15为铜引线。
8.更优地，所述引线15作蛇形弯曲，水平段彼此间隔大于15mm，上下两端垂直，使得与室温电极7和一级法兰电连接器16的连接变得方便容易。
9.作为优选，两个馈通电极即室温电极7和注液插口即制冷剂注液口8位于气盒的上表面，且两个室温电极7分列在制冷剂注液口8的两侧，以便给予连接外部电缆和插拔注液管这两个操作以最大的操作空间。
10.作为优选，所述气盒6焊接在室温法兰1的顶端面上。更优地，所述气盒为弧形气盒。
11.作为优选，所述制冷机冷头组件102的下部还穿过设置在一级法兰上的制冷机冷头一级法兰插孔k11，且所述制冷机冷头室温插孔k1和制冷机冷头一级法兰插孔k11在室温法兰和一级法兰上均为偏心设置。
12.作为优选，所述二级法兰3为圆环结构。
13.作为优选，所述室温法兰1上还设有夹层真空抽口连接孔k5和夹层真空仪表信号插座连接孔k6；一真空抽口12被焊接于所述夹层真空抽口连接孔k5上，用于对夹层真空所在空间抽真空；与所述真空抽口12配合地，还设有一夹层真空抽口堵头13。更优地，所述真空抽口堵头13与真空抽口12之间通过o形橡胶圈进行密封形成密封结构，用于抽真空结束后对夹层真空形成密封。一夹层真空仪表信号插座14被焊接于所述夹层真空仪表信号插座连接孔k6上以形成连续的通道，用于将夹层真空内部的监视探头的信号线引到夹层真空的外部空气侧。
14.作为优选，所述一级法兰2通过圆周分布的多条柔性金属带204与冷屏202的开口连接在一起，形成导热通道。
15.作为优选，所述室温法兰1上还设有注液管插孔k2、引线穿孔k3、导气孔k4，所述注液管插孔k2、引线穿孔k3和导气孔k4均被包围在气盒6的内部，且气盒6所包围的孔也同时
被室温法兰下方的波纹管所包围以位于服务塔101的内部空间内；所述注液管插孔k2用于从制冷剂注液口8插入的制冷剂注液管通过；所述引线穿孔k3用于所述连接结构穿过使用；所述导气孔k4用于增加从氦容器到外界的气体流通面积；更优地，所述气盒6尽量靠近所述制冷机冷头室温插孔k1，以便所述服务塔101获得更小的最大直径。
16.与所述室温法兰上的通孔相配合地，所述一级法兰2还设有注液管一级法兰插孔k12、一级法兰电连接器穿孔k13、一级法兰导气孔k14和一级法兰信号线穿孔k15；所述注液管一级法兰插孔k12、一级法兰电连接器穿孔k13、一级法兰导气孔k14和一级法兰信号线穿孔k15也位于服务塔101的内部空间内；所述一级法兰电连接器穿孔k13用于设置一级法兰电连接器16，一级法兰导气孔k14与室温法兰1上的导气孔k4配合用于增加从氦容器到气盒的流通面积。更优地，所述一级法兰导气孔k14和室温法兰1上的导气孔k4均为至少2个，最佳地，为4个。所述一级法兰信号线穿孔k15用于与所述室温法兰1上的任意一个导气孔k4相配合用于形成连续的通道，将氦容器内部监视探头的信号线引到氦容器外部空气侧。
17.更优地，所述一级法兰上的一级法兰信号线穿孔k15的旁边还设有一个小孔即细杆固定孔k16，用于在一级法兰和二级法兰之间固定一根细杆，以用于固定来自氦容器内部的信号线。
18.更优地，所述室温法兰1上的注液管插孔k2与一级法兰2上的注液管一级法兰插孔k12为同轴线设置。
19.作为优选，室温法兰1和一级法兰2通过螺杆固定连接。
20.作为优选，所述气盒6上还设有kf40快接法兰9、补气阀连接管10、氦容器内仪表信号插座11。
21.作为优选，所述制冷机冷头组件102包括依次连接的制冷机冷头21、一级冷头导热连接件22和二级冷头冷凝器23。
22.更优地，制冷机冷头21通过一级冷头导热连接件22与一级法兰2之间实现导热连接；在正常运行工况下，二级冷头冷凝器23的作用为冷凝周围的冷氦气形成液氦。
23.本发明的有益效果是：本发明的一种超导磁体综合功能服务塔，结构巧妙，集成了超导磁体的所有对外接口，而直径被更大程度的减小了；整体结构也变得更加简洁，组装过程更容易保证尺寸精度，实施焊接更加方便；且在把服务塔组装到氦容器的过程中，能够充分利用直径较大的制冷机冷头室温插孔作为操作空间；另外，室温法兰和一级法兰上孔的总面积保障了从氦容器到外界气流的通畅，进而保障了线圈失超情况下超导磁体设备的安全；且包括高温超导电流引线在内，服务塔对氦容器漏热理论值小于0.38w，而在超导磁体产品上的使用结果表明，实际漏热与理论值相符，效果好，实用性强。
附图说明
24.为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
25.图1为作为独立部件的服务塔实施例的立体结构视图；图2为图1的纵切剖视图；图3为服务塔室温法兰俯视图；图4为服务塔一级法兰俯视图；
图5a为引线正视图；图5b为引线俯视图；图6为服务塔被安装到超导磁体后的局部剖视图；图7为制冷机冷头组件的立体结构示意图。
具体实施方式
26.如图1-7所示，一种超导磁体综合功能服务塔101，用于被安装到外部由内到外分别是氦容器203，冷屏202，真空容器201的超导磁体上，所述服务塔101包括室温法兰1、一级法兰2、二级法兰3、上波纹管4、下波纹管5、气盒6、2个室温电极7、制冷剂注液口8、连接结构、2根高温超导电流引线17；所述室温法兰1、上波纹管4、一级法兰2、下波纹管5和二级法兰3依次焊接在一起，内部彼此连通形成服务塔101的内部空间；所述二级法兰3与所述氦容器203的开口焊接在一起，以使得服务塔101的内部空间与氦容器203的内部空间相连通；所述室温法兰上设有制冷机冷头室温插孔k1，一制冷机冷头组件102通过所述制冷机冷头室温插孔k1被插入到服务塔101中，并在制冷机冷头室温插孔k1的孔口处形成密封连接，所述氦容器与真空容器之间形成夹层真空；包裹住室温法兰1、一级法兰2、二级法兰3、上波纹管4、下波纹管5的，所述服务塔101的外侧还设有服务塔外筒205，所述室温法兰1通过所述服务塔外筒205与真空容器201的开口焊接在一起，以使得服务塔外筒205所包围的内部空间与所述夹层真空相连通；所述气盒6设置在室温法兰1的顶端面上，两个室温电极7和制冷剂注液口8均设置在气盒6上，制冷剂注液口8中插入有制冷剂注液管，两个室温电极7分别通过连接结构与另一端与超导磁体的超导线圈电连接的两根高温超导电流引线17相连；所述连接结构、两根高温超导电流引线17和制冷剂注液管均被包含在所述服务塔101的内部空间。
27.所述制冷机冷头组件102通过所述制冷机冷头室温插孔k1被插入到服务塔101中，并在制冷机冷头室温插孔k1孔口处通过o形橡胶圈形成密封连接。
28.所述连接结构包括2根引线15和一级法兰电连接器16，所述一级法兰电连接器16设置在一级法兰2上，两个室温电极7分别与两根引线15相连，两根引线15的另一端通过两个一级法兰电连接器16分别与两根高温超导电流引线17相连，两根高温超导电流引线17的另一端分别与超导线圈的两根引线相连以实现超导线圈与外界的电气连接。更优地，所述引线15为铜引线。
29.所述引线15作蛇形弯曲，水平段彼此间隔大于15mm，上下两端垂直，使得与室温电极7和一级法兰电连接器16的连接变得方便容易。
30.两个馈通电极即室温电极7和注液插口即制冷剂注液口8位于气盒的上表面，且两个室温电极7分列在制冷剂注液口8的两侧，以便给予连接外部电缆和插拔注液管这两个操作以最大的操作空间。
31.所述气盒6焊接在室温法兰1的顶端面上。更优地，所述气盒为弧形气盒。
32.所述制冷机冷头组件102的下部还穿过设置在一级法兰上的制冷机冷头一级法兰插孔k11，且所述制冷机冷头室温插孔k1和制冷机冷头一级法兰插孔k11在室温法兰和一级法兰上均为偏心设置。
33.所述室温法兰1上还设有夹层真空抽口连接孔k5和夹层真空仪表信号插座连接孔
k6；一真空抽口12被焊接于所述夹层真空抽口连接孔k5上，用于对夹层真空所在空间抽真空；与所述真空抽口12配合地，还设有一夹层真空抽口堵头13。所述真空抽口堵头13与真空抽口12之间通过o形橡胶圈进行密封形成密封结构，用于抽真空结束后对夹层真空形成密封。一夹层真空仪表信号插座14被焊接于所述夹层真空仪表信号插座连接孔k6上以形成连续的通道，用于将夹层真空内部的监视探头的信号线引到夹层真空的外部空气侧。
34.所述一级法兰2通过圆周分布的多条柔性金属带204与冷屏202的开口连接在一起，形成导热通道。
35.所述室温法兰1上还设有注液管插孔k2、引线穿孔k3、导气孔k4，所述注液管插孔k2、引线穿孔k3和导气孔k4均被包围在气盒6的内部，且气盒6所包围的孔也同时被室温法兰下方的波纹管所包围以位于服务塔101的内部空间内；所述注液管插孔k2用于从制冷剂注液口8插入的制冷剂注液管通过；所述引线穿孔k3用于所述连接结构穿过使用；所述导气孔k4用于增加从氦容器到外界的气体流通面积；更优地，所述气盒6尽量靠近所述制冷机冷头室温插孔k1，以便所述服务塔101获得更小的最大直径。
36.与所述室温法兰上的通孔相配合地，所述一级法兰2还设有注液管一级法兰插孔k12、一级法兰电连接器穿孔k13、一级法兰导气孔k14和一级法兰信号线穿孔k15；所述注液管一级法兰插孔k12、一级法兰电连接器穿孔k13、一级法兰导气孔k14和一级法兰信号线穿孔k15也位于服务塔101的内部空间内；所述一级法兰电连接器穿孔k13用于设置一级法兰电连接器16，一级法兰导气孔k14与室温法兰1上的导气孔k4配合用于增加从氦容器到气盒的流通面积。所述一级法兰导气孔k14和室温法兰1上的导气孔k4均为至少2个，本实施例中，为4个。所述一级法兰信号线穿孔k15用于与所述室温法兰1上的任意一个导气孔k4相配合用于形成连续的通道，将氦容器内部监视探头的信号线引到氦容器外部空气侧。
37.所述一级法兰上的一级法兰信号线穿孔k15的旁边还设有一个小孔即细杆固定孔k16，用于在一级法兰和二级法兰之间固定一根细杆，以用于固定来自氦容器内部的信号线。
38.所述室温法兰1上的注液管插孔k2与一级法兰2上的注液管一级法兰插孔k12为同轴线设置。
39.室温法兰1和一级法兰2通过螺杆固定连接。
40.所述气盒6上还设有kf40快接法兰9、补气阀连接管10、氦容器内仪表信号插座11。
41.所述制冷机冷头组件102包括依次连接的制冷机冷头21、一级冷头导热连接件22和二级冷头冷凝器23。
42.制冷机冷头21通过一级冷头导热连接件22与一级法兰2之间实现导热连接；在正常运行工况下，二级冷头冷凝器23的作用为冷凝周围的冷氦气形成液氦。
43.具体实施例如下：参阅附图1、附图2、附图6，一种超导磁体综合功能服务塔101，包括：室温法兰1、一级法兰2、二级法兰3、上波纹管4、下波纹管5、气盒6、2个室温电极7、制冷剂注液口8、kf40快接法兰9、补气阀连接管10、氦容器内仪表信号插座11、夹层真空抽口12、夹层真空抽口堵头13、夹层真空仪表信号插座14、2根引线15、2个一级法兰电连接器16、2根高温超导电流引线17。室温法兰1、一级法兰2、上波纹管4、下波纹管5、二级法兰3，彼此之间依次焊接在一起，内部空间彼此连通，所述气盒6焊接在室温法兰1的顶端面上。两个室温电极7分别与两根引
线15相连，两根引线15的另一端通过设置在一级法兰上的两个一级法兰电连接器16分别与两根高温超导电流引线17相连，两根高温超导电流引线17另一端分别与超导线圈的两根引线相连，从而实现超导线圈与外界的电气连接。
44.参阅附图3，室温法兰1的俯视图，其上加工的通孔包括：制冷机冷头室温插孔k1、注液管插孔k2、引线穿孔k3、导气孔k4、夹层真空抽口连接孔k5、夹层真空仪表信号插座连接孔k6。其中通孔k2、k3、k4被包围在气盒6的内部，且气盒6所包围的孔也同时被室温法兰下方的波纹管所包围。所述气盒为弧形气盒，尽量靠近室温法兰中间的制冷机冷头插孔，以便气盒所包围的孔也同时被室温法兰下方的波纹管所包围。
45.参阅附图4，一级法兰2的俯视图，其上加工的通孔包括：制冷机冷头一级法兰插孔k11、注液管一级法兰插孔k12、一级法兰电连接器穿孔k13、一级法兰导气孔k14、一级法兰信号线穿孔k15、细杆固定孔k16。
46.参阅附图5a和附图5b，分别为两根引线15之一的正视图和俯视图。另一根引线15的形状与图5a和图5b中所示形状相对于附图4的水平中心线镜像对称。引线15作蛇形弯曲。水平段彼此间隔大于15mm，上下两端垂直，使得与室温电极7和一级法兰电连接器16的连接变得方便容易。
47.参阅附图6和附图2，服务塔被安装到超导磁体后的局部剖视图。图中展示了超导磁体的三个部件，由内到外分别是氦容器203，冷屏202，真空容器201。服务塔101的二级法兰3与氦容器203的开口焊接在一起，内部形成密闭空间；一级法兰2通过圆周分布的多条柔性金属带204与冷屏外筒202的开口连接在一起，形成导热通道；室温法兰1通过服务塔外筒205与真空容器焊接在一起，内部形成密闭空间。真空容器与氦容器之间的夹层被抽成真空，夹层所包围的空间在习惯上也被称作夹层真空。
48.参阅附图6、附图7、附图3和附图4，制冷机冷头21、一级冷头导热连接件22、二级冷头冷凝器23共同组成制冷机冷头组件102，然后被插入到服务塔101中。在制冷机冷头21与服务塔101之间，室温接触部分通过o型圈实现密封；一级冷头通过一级冷头导热连接件22与一级法兰之间实现导热连接；在正常运行工况下，二级冷头冷凝器23的作用冷凝周围的冷氦气形成液氦。
49.故，本专利与原专利相比的区别是：1. 原专利中连接室温法兰和4k氦容器有三组波纹管，包括制冷机所在的波纹管、注液波纹管和信号线波纹管，本专利取消前述后两个波纹管，而二级法兰退化为一个圆环，从而简化了服务塔的制造工艺。
50.2. 少量增加制冷机所在波纹管的直径，在室温法兰和一级法兰上保留制冷机冷头插孔的偏心结构，以便允许在一级法兰上被波纹管所包围的区域增加更多的孔，其中2个孔用于安装连接高温超导电流引线和引线的电连接器，其中1个孔用于插入注液管，其中1个孔用于穿过信号线，其余孔用作气体流动的通道。在室温法兰上气盒尽量靠近制冷机冷头插孔，以便气盒所包围的孔也同时被室温法兰下方的波纹管所包围。特别地，其中用于插入注液管的孔与一级法兰上同种用途的孔同轴线；其中2个孔用于穿过引线；其余孔用作气体流动的通道。与原发明专利相比，取消了波纹管侧壁开孔、取消了过渡连接管，进而消除了引线穿管的困难，而且使得整体结构更加简洁、紧凑。
51.3. 两个馈通电极和注液插口必须位于气盒上表面，两个馈通电极必须分列在注
液插口的两侧，以便给予连接外部电缆和插拔注液管这两个操作以最大的操作空间。其余各种接口，如补气管、仪表电馈通插座等均位于气盒的外圆弧表面，按照方便连接操作的原则布置这些接口。两个馈通电极分别与两根引线相连，两根引线的另一端在一级法兰上通过电连接器分别与两根高温超导电流引线相连，两根高温超导电流引线另一端分别与超导线圈的两根引线相连，从而实现超导线圈与外界的电气连接。
52.4. 在一级法兰用于穿过信号线的孔的旁边增加一个小孔，用于在一级法兰和二级法兰之间固定一根细杆。该细杆用于固定来自氦容器内部的信号线。
53.本发明的一种超导磁体综合功能服务塔，结构巧妙，集成了超导磁体的所有对外接口，而直径被更大程度的缩小了；整体结构也变得更加简洁，组装过程更容易保证尺寸精度，实施焊接更加方便；且在把服务塔组装到氦容器的过程中，能够充分利用直径较大的制冷机冷头插孔作为操作空间；另外，室温法兰和一级法兰上孔的总面积保障了从氦容器到气盒的气流通畅，进而保障了线圈失超情况下超导磁体设备的安全；且包括高温超导电流引线在内，服务塔对氦容器漏热理论值小于0.38w，而在超导磁体产品上的使用结果表明，实际漏热与理论值相符，效果好，实用性强。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。