專利名稱：一種帶有溫度閉環(huán)控制的超導(dǎo)開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)開關(guān)，特別涉及一種用于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體閉環(huán)運(yùn)行的超導(dǎo)
開關(guān)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)90年代后期，傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸有取代液氦浸泡超導(dǎo) 磁體之勢。與傳統(tǒng)的液氦浸泡超導(dǎo)磁體系統(tǒng)不同，傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體不使用液氦來冷卻，而 是使用二級(jí)G-M制冷機(jī)作為冷源對(duì)超導(dǎo)磁體進(jìn)行冷卻。目前，傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體主要用于 提供幾萬高斯到十幾萬高斯的穩(wěn)定強(qiáng)磁場。在傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體充電完畢后，一般需要用 超導(dǎo)開關(guān)和超導(dǎo)線圈組成閉環(huán)回路進(jìn)行持久電流形式運(yùn)行，這樣可以使超導(dǎo)磁體獲得極高 穩(wěn)定度的磁場，還可以降低外界噪聲對(duì)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的影響，提高磁體運(yùn)行的可靠性?？梢?在傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體應(yīng)用中，超導(dǎo)開關(guān)是一個(gè)重要的部件。 超導(dǎo)開關(guān)一般是利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)_正常態(tài)的轉(zhuǎn)換使超導(dǎo)開關(guān)從無阻狀態(tài) 轉(zhuǎn)到有阻狀態(tài)，達(dá)到使電路由導(dǎo)通到切斷的目的；與之相對(duì)應(yīng)利用超導(dǎo)材料的正常態(tài)-超 導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通。超導(dǎo)開關(guān)超導(dǎo)態(tài)_正常態(tài)和正常態(tài)_超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)換， 一般 采用改變超導(dǎo)材料的溫度或背景磁場來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，與之相對(duì)應(yīng)的兩 種超導(dǎo)開關(guān)分別稱之為溫控超導(dǎo)開關(guān)和磁控超導(dǎo)開關(guān)。其中，溫控超導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單， 實(shí)際應(yīng)用中最為廣泛。 傳統(tǒng)的溫控型超導(dǎo)開關(guān)一般用于液氦浸泡超導(dǎo)磁體，通過繞制在超導(dǎo)開關(guān)上的加 熱絲的加熱使超導(dǎo)線的溫度高于臨界溫度T。來實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)_正常態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于超導(dǎo)開 關(guān)是浸泡在液氦中，其在正常態(tài)時(shí)向外界的傳熱將被液氦帶走，不會(huì)對(duì)超導(dǎo)磁體本身造成 影響。 傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中，超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)開關(guān)都要靠二級(jí)G-M制冷機(jī)進(jìn)行冷 卻，而二級(jí)G-M制冷機(jī)在某一溫度下的制冷量是一確定值。因此超導(dǎo)開關(guān)必須同超導(dǎo)磁體 之間有較好的熱連接，以確保超導(dǎo)開關(guān)能夠冷卻到臨界溫度T。以下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)；但另一方 面，當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)工作于正常態(tài)時(shí)，超導(dǎo)開關(guān)中的加熱絲產(chǎn)生的熱量要嚴(yán)格控制在允許的范 圍內(nèi)，使超導(dǎo)開關(guān)的溫度升至臨界溫度T。以上的某一合理區(qū)間，這樣以確保超導(dǎo)開關(guān)向超 導(dǎo)磁體的漏熱處于超導(dǎo)磁體容許范圍內(nèi)，不會(huì)引起超導(dǎo)磁體的失超。 傳導(dǎo)冷卻磁體的冷卻方式?jīng)Q定了其對(duì)超導(dǎo)開關(guān)的特殊要求，而傳統(tǒng)的超導(dǎo)開關(guān)技 術(shù)是難以滿足的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體對(duì)超導(dǎo)開關(guān)的特殊要求，提出一種帶有溫度閉環(huán)控 制的超導(dǎo)開關(guān)。 本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)包括超導(dǎo)開關(guān)本體，供電電路和控制電路。超導(dǎo)開關(guān)本體安裝 在置于低溫系統(tǒng)內(nèi)的超導(dǎo)磁體上，供電電路和控制電路位于低溫系統(tǒng)外，供電電路通過兩根銅導(dǎo)線連接到超導(dǎo)開關(guān)本體上的加熱絲線圈兩端?？刂齐娐返妮斎攵送惭b在超導(dǎo)開關(guān) 本體上的溫度探頭的兩根測量線連接，控制電路的輸出端連接到供電電路中接觸器控制線 圈上，對(duì)接觸器的開關(guān)進(jìn)行控制。 本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)本體主要由超導(dǎo)開關(guān)骨架，緊繞在超導(dǎo)開關(guān)骨架上的超導(dǎo)線 圈、加熱絲線圈以及裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架上的溫度探頭組成。超導(dǎo)開關(guān)骨架是采用黃銅材 料制成兩端帶有法蘭的圓筒，超導(dǎo)開關(guān)骨架的一端通過一長條形黃銅板連接到超導(dǎo)磁體 上。在超導(dǎo)開關(guān)骨架的外表面沿中心軸方向開一個(gè)半圓形的長槽，在長槽內(nèi)裝嵌一只溫度 探頭，長槽內(nèi)的縫隙采用參雜有高導(dǎo)熱率的氮化鋁(A1N)粉的環(huán)氧樹脂填滿，溫度探頭采 用四根測量引線連接到低溫系統(tǒng)的外面，其中兩根引線同一臺(tái)1mA電流源連接，另外兩根 測量引線連接到控制電路中。超導(dǎo)開關(guān)上的超導(dǎo)線圈和加熱絲線圈都為無感線圈，所謂無 感線圈就是一種感應(yīng)系數(shù)為零或接近于零的線圈，目的是僅利用其阻抗效應(yīng)，消除其對(duì)電 路的感抗效應(yīng)。無感線圈的繞制可以采用雙繞法，將用于繞制的線材由中點(diǎn)并在一起，再將 該中點(diǎn)固定在超導(dǎo)開關(guān)骨架端部某個(gè)位置，然后兩股線同時(shí)繞制，繞制完后，線圈的輸入端 和輸出端同時(shí)引出。為了使加熱絲對(duì)超導(dǎo)線圈進(jìn)行均勻的加熱，超導(dǎo)線圈和加熱絲線圈要 間隔繞制在超導(dǎo)開關(guān)骨架上，即緊貼超導(dǎo)開關(guān)骨架的第一層為超導(dǎo)線圈，接著第二層為加 熱絲線圈，然后第三層又為超導(dǎo)線圈，以此類推。超導(dǎo)線圈和加熱絲線圈中導(dǎo)線與導(dǎo)線之間 的縫隙都使用參雜有高導(dǎo)熱率的氮化鋁(A1N)粉的環(huán)氧樹脂填充，環(huán)氧樹脂凝固后不但可 以加固整個(gè)超導(dǎo)開關(guān)本體，而且使其內(nèi)傳熱更加均勻。 本發(fā)明的供電電路由一臺(tái)電源串聯(lián)一個(gè)接觸器組成，供電電路通過兩根銅導(dǎo)線 分別同超導(dǎo)開關(guān)本體上的加熱絲線圈的輸入端和輸出端連接?？刂齐娐分饕蓡纹瑱C(jī) P87PC767和信號(hào)放大器組成，溫度探頭的兩根測量線連接到信號(hào)放大器的輸入端，信號(hào)放 大器的輸出端再連接到單片機(jī)P87PC767的管腳P0. 3上，單片機(jī)P87PC767的管腳P0. 4連 接到供電電路中接觸器的控制線圈上。 本發(fā)明的加熱絲通電加熱采用溫度閉環(huán)控制。當(dāng)所述超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)向正常 態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，電源給加熱絲供電，供電電路中的接觸器的通斷使用單片機(jī)P87PC767進(jìn)行控 制。同時(shí)，超導(dǎo)開關(guān)上的溫度探頭測量所獲得的溫度信號(hào)經(jīng)過放大器放大后輸入到單片 機(jī)P87PC767中進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值。單片機(jī)P87PC767根據(jù)超導(dǎo)開關(guān)的實(shí) 際溫度控制接觸器的通斷，當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)的溫度低于T。+AT"單片機(jī)P87PC767就接通接觸 器，加熱絲工作，產(chǎn)生熱量使超導(dǎo)開關(guān)的溫度上升；當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)的溫度高于T。+ A T2，單片機(jī) P87PC767就關(guān)斷接觸器，加熱絲停止加熱，阻止超導(dǎo)開關(guān)的溫度進(jìn)一步上升。A 1\和A T2 的大小根據(jù)實(shí)際條件確定，確保在溫度區(qū)間(T。+AI\， T。+AT》，其中T。為超導(dǎo)線圈的超 導(dǎo)臨界溫度，即超導(dǎo)線圈由超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，Al^和AL分別為溫度增量， AI\《AL，超導(dǎo)開關(guān)處于正常態(tài)，而且向超導(dǎo)磁體的漏熱不能引起超導(dǎo)磁體的失超。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例裝有溫度探頭的超導(dǎo)開關(guān)骨架示意圖，圖中1超導(dǎo)開關(guān)骨 架、2長條形連接板、3半圓形長槽、4溫度探頭； 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)線和加熱絲隔層繞制示意圖，圖中6超導(dǎo)線圈、7 加熱絲線圈；
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)開關(guān)整體外觀示意圖，圖中5無感線圈；
圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)開關(guān)加熱控制電路原理圖，圖中8超導(dǎo)開關(guān)本 體、9接觸器、10電源、11單片機(jī)P87PC767、 12放大器、131mA電流源、14超導(dǎo)磁體、15供電 電路、16控制電路。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。 如圖4所示，本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)包括超導(dǎo)開關(guān)本體8，供電電路15和控制電路16。 超導(dǎo)開關(guān)本體8安裝在置于低溫系統(tǒng)內(nèi)的超導(dǎo)磁體14上，而供電電路15和控制電路16位 于低溫系統(tǒng)外，供電電路15通過兩根銅導(dǎo)線連接到超導(dǎo)開關(guān)本體8上的加熱絲線圈7兩 端。控制電路16的輸入端同裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)本體8上的溫度探頭4的兩根測量線連接，控 制電路16的輸出端連接到供電電路15中接觸器9的控制線圈上，對(duì)接觸器9的開關(guān)進(jìn)行 控制。 如圖1所示，本發(fā)明的超導(dǎo)開關(guān)本體8主要由超導(dǎo)開關(guān)骨架1 ，緊繞在超導(dǎo)開關(guān)骨 架1上的超導(dǎo)線圈6、加熱絲線圈7以及裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架1上的溫度探頭4組成。超導(dǎo) 開關(guān)骨架1是采用黃銅材料制成兩端帶有法蘭的圓筒，溫度探頭4裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架1 上沿中心軸方向的一個(gè)半圓形長槽3內(nèi)，長槽3與溫度探頭4之間的縫隙使用參雜有高導(dǎo) 熱率氮化鋁(A1N)粉的環(huán)氧樹脂填充。溫度探頭4采用四根測量引線連接到低溫系統(tǒng)的外 面，其中兩根引線同一臺(tái)lmA電流源13連接，另外兩根測量引線連接到控制電路16中的放 大器12上。超導(dǎo)開關(guān)本體8通過在超導(dǎo)開關(guān)骨架1上端法蘭邊加工一長條形黃銅連接板 2連接到超導(dǎo)磁體14上進(jìn)行傳導(dǎo)制冷。 如圖2所示，超導(dǎo)線圈6和加熱絲線圈7都為無感線圈。為了使加熱絲對(duì)超導(dǎo)線 進(jìn)行均勻的加熱，超導(dǎo)線圈6和加熱絲線圈7要間隔繞制在超導(dǎo)開關(guān)骨架1上，即緊貼超導(dǎo) 開關(guān)骨架1的第一層為超導(dǎo)線圈6，接著第二層為加熱絲線圈7，然后第三層又為超導(dǎo)線圈 6，以此類推。超導(dǎo)線圈6和加熱絲線圈7中導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的縫隙都使用參雜有高導(dǎo)熱率 的氮化鋁 (A1N)粉的環(huán)氧樹脂填充，環(huán)氧樹脂凝固后不但可以加固整個(gè)超導(dǎo)開關(guān)本體8，而 且使其 內(nèi)傳熱更加均勻。完成后的超導(dǎo)開關(guān)本體8如圖3所示。 如圖4所示，本發(fā)明的供電電路15由 一 臺(tái)電源10串聯(lián)一個(gè)接觸器9組成，供電電 路15通過兩根銅導(dǎo)線分別同超導(dǎo)開關(guān)本體8上的加熱絲線圈7的輸入端和輸出端連接。 控制電路16主要由單片機(jī)P87PC76711和信號(hào)放大器12組成，溫度探頭4的兩根測量線連 接到信號(hào)放大器12的輸入端，信號(hào)放大器12的輸出端再連接到單片機(jī)P87PC76711的管腳 PO. 3上，單片機(jī)P87PC76711的管腳PO. 4連接到供電電路15中接觸器9的控制線圈上。單 片機(jī)P87PC76711根據(jù)溫度探頭4測量的溫度信號(hào)對(duì)供電電路15中的接觸器9進(jìn)行控制。
超導(dǎo)開關(guān)中的超導(dǎo)線圈6的輸入端和輸出端分別連接到超導(dǎo)磁體14的輸出端和 輸入端。超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)電源10給加熱絲線圈7供電，接觸器9使用單 片機(jī)P87PC76711的管腳PO. 4進(jìn)行控制，單片機(jī)P87PC76711根據(jù)超導(dǎo)開關(guān)本體8的溫度 進(jìn)行閉環(huán)控制。超導(dǎo)開關(guān)8的溫度采用四引線法進(jìn)行測量，將溫度探頭4的任意兩根測量引線連接到1mA電流源13的兩端，另外兩根測量引線作為溫度電壓信號(hào)測量線接入放大器 12輸入端，經(jīng)放大器12將電壓信號(hào)放大，然后采用單片機(jī)P87PC76711的管腳P0. 3對(duì)電壓 信號(hào)進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成實(shí)際的溫度值。溫度閉環(huán)控制的邏輯為當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)的溫度低于 T。+ A I\，單片機(jī)P87PC76711就接通接觸器9，加熱絲線圈7工作，產(chǎn)生熱量使超導(dǎo)開關(guān)本體 8的溫度上升；當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)本體8的溫度高于T。+A^，單片機(jī)P87PC76711就關(guān)斷接觸器9， 加熱絲線圈7停止加熱，阻止超導(dǎo)開關(guān)本體8的溫度進(jìn)一步上升。AI^和AL的大小根據(jù) 實(shí)際條件確定，確保在溫度區(qū)間(T。+ATp T。+AT》，超導(dǎo)開關(guān)本體8處于正常態(tài)，而且向超 導(dǎo)磁體14的漏熱不能引起超導(dǎo)磁體14的失超；所述的T。為超導(dǎo)線圈的超導(dǎo)臨界溫度，即 超導(dǎo)線圈由超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，A1^禾P AL分別為溫度增量，A^《AT2。
權(quán)利要求
一種帶有溫度閉環(huán)控制的超導(dǎo)開關(guān)，其特征是，所述的超導(dǎo)開關(guān)包括超導(dǎo)開關(guān)本體(8)，供電電路(15)和控制電路(16)；超導(dǎo)開關(guān)本體(8)安裝在置于低溫系統(tǒng)內(nèi)的超導(dǎo)磁體(14)上，供電電路(15)和控制電路(16)位于低溫系統(tǒng)外；超導(dǎo)開關(guān)本體(8)由超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)，緊繞在超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)上的超導(dǎo)線圈(6)、加熱絲線圈(7)和裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)上的溫度探頭(4)組成；供電電路(15)由一臺(tái)電源(10)串聯(lián)一個(gè)接觸器(9)組成，供電電路(15)通過兩根銅導(dǎo)線分別同超導(dǎo)開關(guān)本體(8)上的加熱絲線圈(7)的輸入端和輸出端連接；控制電路(16)主要由單片機(jī)P87PC767(11)和信號(hào)放大器(12)組成，溫度探頭(4)的兩根測量線連接到信號(hào)放大器(12)的輸入端，信號(hào)放大器(12)的輸出端再連接到單片機(jī)P87PC767(11)的管腳P0.3上，單片機(jī)P87PC767(11)的管腳P0.4連接到供電電路(15)中接觸器(9)的控制線圈上。
2. 按照權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)開關(guān)，其特征在于，溫度探頭(4)裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架 (1)上沿中心軸方向的一個(gè)半圓形長槽(3)內(nèi)，長槽(3)與溫度探頭(4)之間的縫隙使用摻 雜有氮化鋁(A1N)粉的環(huán)氧樹脂填充。
3. 按照權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)開關(guān)，其特征在于，超導(dǎo)線圈(6)和加熱絲線圈(7)均采 用無感繞制，超導(dǎo)線圈(6)和加熱絲線圈(7)間隔地繞制在超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)上，即緊貼超 導(dǎo)開關(guān)骨架(1)的第一層為超導(dǎo)線圈(6)，接著第二層為加熱絲線圈(7)，然后第三層又為 超導(dǎo)線圈(6)，以此類推；超導(dǎo)線圈(6)和加熱絲線圈(7)中導(dǎo)線與導(dǎo)線之間的縫隙填充摻 雜有氮化鋁(A1N)粉的環(huán)氧樹脂。
4. 按照權(quán)利要求l所述的超導(dǎo)開關(guān)，其特征在于，所述超導(dǎo)開關(guān)由超導(dǎo)態(tài)向正常 態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，所述供電電路(15)的電源(10)給加熱絲線圈(7)供電，控制電路的單片 機(jī)P87PC767(11)的管腳P0.4對(duì)所述供電電路(15)的接觸器(9)進(jìn)行控制單片機(jī) P87PC767(11)的管腳P0.3對(duì)溫度探頭(4)測量的溫度電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成實(shí) 際的溫度值；單片機(jī)P87PC767(11)根據(jù)實(shí)際測得的超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的溫度值控制接 觸器(9)的通斷；溫度閉環(huán)控制邏輯為當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的溫度低于T。+AT"單片機(jī) P87PC767(11)接通接觸器(9)，加熱絲線圈(7)通電產(chǎn)生熱量使超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的溫度 上升；當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的溫度高于T。+A^，單片機(jī)P87PC767(11)關(guān)斷接觸器(9)，加熱 絲線圈(7)停止加熱，阻止超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的溫度進(jìn)一步上升；所述的T。為超導(dǎo)線圈的 超導(dǎo)臨界溫度，即超導(dǎo)線圈由超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的溫度，AI^和AL分別為溫度增量， AT,《AT"
全文摘要
一種帶有溫度閉環(huán)控制的超導(dǎo)開關(guān)，包括超導(dǎo)開關(guān)本體(8)，供電電路(15)和控制電路(16)。超導(dǎo)開關(guān)本體(8)安裝在置于在低溫系統(tǒng)內(nèi)的超導(dǎo)磁體(14)上，供電電路(15)和控制電路(16)位于低溫系統(tǒng)外。超導(dǎo)開關(guān)本體(8)由超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)，隔層緊繞在超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)上的超導(dǎo)線圈(6)、加熱絲線圈(7)和裝嵌在超導(dǎo)開關(guān)骨架(1)上的溫度探頭(4)組成。供電電路(15)為一臺(tái)電源(10)串聯(lián)一個(gè)接觸器(9)，供電電路(15)通過兩根銅導(dǎo)線分別同超導(dǎo)開關(guān)本體(8)上的加熱絲線圈(7)的輸入端和輸出端連接。控制電路(16)由單片機(jī)P87PC767(11)和信號(hào)放大器(12)組成。單片機(jī)P87PC767(11)根據(jù)溫度探頭(4)測量的超導(dǎo)開關(guān)本體(8)的實(shí)際溫度值對(duì)接觸器(9)的通斷進(jìn)行溫度閉環(huán)控制。
文檔編號(hào)H03K17/082GK101714864SQ20091023594
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者王秋良, 趙保志, 陳順中 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所