CN100416879C - 一种螺旋形截面的正负一体电流引线结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温与超导应用技术领域。一种螺旋形截面的正负一体电流引线结构及方法。引线主体由螺旋形正负铜卷，两气流流道&电气绝缘层，中心的电气绝缘棒及最外边的电气绝缘筒构成。方法：正负两铜片；两张气流流道&电气绝缘片；正负两铜片的一端固定于电气绝缘棒上；将两铜片及两绝缘片均匀绕电气绝缘棒卷起；在厚度10～20mm的铜圆柱上刻螺旋形狭缝，作为引线的上下端环；将正负极上下端环与卷好的铜片组装；在负极上端集流排内侧及正负上端环之间加入电绝缘材料；将正负上端环与集流排焊接；将正负铜卷用电气绝缘板包裹，电气绝缘板的外边缘与上下两端用低温胶带及低温胶粘接密封。主要用于室温电源与低温状态下的超导器件的连接。

Description

一种螺旋形截面的正负一体电流引线结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及低温与超导应用技术领域。特别是一种螺旋形截面的正负一体电流引线结构及其制造方法。

背景技术

电流引线是许多低温超导系统中的一个重要组成部分。它负责连接室温端的电源与低温端的超导器件，保证超导器件的正常供电。因其两端存在的巨大温差和通电时产生的大量焦耳热，有大量热量通过电流引线带入低温环境。因此，在很多的超导系统中，电流引线漏热都是低温环境最重要的热源之一。为了减少电流引线对低温的漏热，通常是将引线自身向低温漏热蒸发的氦气流经引线，通过这些冷却气体来带走引线产生的焦耳热及外界向引线的漏热。国际上许多学者都在气冷电流引线方面作了很多理论及实验研究，形成了一套气冷电流引线设计理论。主要内容如下：

1.电流引线的横截面积与长度两者之间存在最优化设计。

2.在最优化设计时，电流引线对低温环境的漏热最小，且此最小漏热量为1.04W/kA(假定冷却气流与引线充分换热，且材料物性满足Wiedemann-Franz公式)

这些理论指导了国际上大部分电流引线的设计与制造。但是很多按最优化理论设计的电流引线，实际运行时并不能达到预想的运行参数，一般有如下两种原因：

1.最优化理论中假设冷却气流与引线充分换热(换热效率η＝1)，实际中引线换热效率η＜1。

2.实际运行的电流引线，，由于引线实际制作过程中的差异或超导装置本身的一些问题，正负两个引线之间或者同一引线的不同流道之间都存在着冷却气流分配上的不均衡，由此造成温度场的不均衡。超导装置中除电流引线外的其他低温热源也可能使流经引线的冷却气流处于非正常状态。所有这些都会使电流引线的实际工作状况偏离最优化设计。

第一种原因通常为大家熟知并重视，在电流引线的设计中尽量提高冷却气体的换热效率，以尽可能的降低引线对低温环境的漏热量。但第二种原因却被很多设计者忽略。但理论模拟计算与实验数据表明，正负引线间的气流不对称分配及同一引线不同流道间的气流不均匀分配都会极大的影响电流引线的正常运行，使正负引线间的温度场分布不对称或同一引线的不同流道间的温度场不均衡，由此使引线的运行状态偏离最优化点，增加引线的漏热量，同时提高了引线运行的不稳定性。

发明内容

新引线因为采用了正负一体螺旋形截面结构，使正负引线的温度场两者之间具有均衡性及变化的同步性；可以有效的控制正负引线间不对称现象的发生，使引线的工作状态点趋向于最优化点。同时增加了引线工作的稳定性。

新引线具有以下优点：

1.由于新引线的正负两极的温度场能保持较好的对称性及同步性，因此能有效的控制引线工作于最优化点，增加引线工作的稳定性。

2.由于此引线具有很大的气流与铜片换热面积，且气流通道为微流道(流道厚度约0.3至0.7mm)，因此引线的换热效率远远高于大部分其他类型的电流引线。且由于气流流通截面积较大，气流压降相对不高。

3.结构紧凑，体积与其他引线相比减小很多。

本发明主要用于室温电源与低温状态下的超导器件的连接。包括室温至液氦温度区域及室温至液氮温度区域。

一种螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，引线主体7由螺旋形正负铜卷12、电气绝缘筒13、电气绝缘棒14、气流通道15-1以及电气绝缘层15-2组成，其中，电气绝缘棒14位于中间位置，电气绝缘筒13在最外面，正负铜卷12及气流通道15-1和电气绝缘层15-2以电气绝缘棒14为中心螺旋形绕制而成，外围用电气绝缘筒包裹。

所述正负铜卷12层间结构包括：正铜卷12-1、电气绝缘层15-2和负铜卷12-2三层构成，所述三层材料以电气绝缘棒14为中心，由内向外依次旋转绕制依序排列，最外层用电气绝缘筒包裹。

所述电气绝缘层15-2由多根狭长绝缘块组成，绝缘块为矩形细长条，绝缘块与正负铜卷之间通过低温胶粘接而成，两绝缘块之间的空腔则作为气流通道15-1。

所述电气绝缘材料选用环氧玻璃纤维材料。

所述引线的出口部分由冷却气体出口1、正极上端汇流排2、绝缘层3、负极上端汇流排4、正极上端环5以及负极上端环6构成，其中，正极上端汇流排2位于正极上端环5上部，负极上端汇流排4位于负极上端环6上部，正极上端汇流排2以及正极上端环5与室温环境中的电源正极连接，称为正极部件，负极上端汇流排4以及负极上端环6与室温环境中的电源负极连接，称为负极部件，正极部件与负极部件之间为绝缘层3；负极下端环8、绝缘层9以及正极下端环10构成引线入口部分，其中绝缘层9处于负极下端环8与正极下端环10之间；引线的整体结构由引线出口部分、引线入口部分冷却气体出口1、正极上端汇流排2、绝缘层3、负极上端汇流排4、正极上端环5、负极上端环6、引线主体7、负极下端环8、绝缘层9、正极下端环10以及冷却气体入口11组成。

附图说明

图1是正负一体螺旋形截面电流引线整体结构图。

图2是引线主体部分横截面示意图。

其中，1为冷却气体出口，2为正极上端汇流排，3为绝缘层，4为负极上端汇流排，5为正极上端环，6为负极上端环，7为引线主体，8为负极下端环，9为绝缘层，10为正极下端环，11为冷却气体入口，12为正负铜卷，13为电气绝缘筒，14为电气绝缘棒，15为气流通道和电气绝缘层。

具体实施方式

图1是一种螺旋形截面的正负一体电流引线整体结构。图2是引线主体部分横截面示意图。引线主体7由正负铜卷12、电气绝缘筒13、电气绝缘棒14、气流通道15-1以及电气绝缘层15-2组成，电气绝缘棒14位于中间位置，电气绝缘筒13在最外面。正负铜卷12、气流通道15-1以及电气绝缘层15-2以电气绝缘棒14为中心螺旋形绕制而成。

引线主体由正负铜卷，气流通道和电气绝缘层，位于中间位置的电气绝缘棒及外面的电气绝缘筒组成。正负铜卷承载正负极的电流。气流通道和电气绝缘层的作用有三个：1.作为正负铜卷间的电气绝缘层；2.提供冷却气流通道；3.作为正负铜卷间的连接层，可以使正负两铜卷的温度场具有对称性及温度场变化具有同步性。电气绝缘棒作用有两个：1.填充螺旋形铜卷的中间较大空间，以免冷却气流从此流过，降低引线的换热效率；2.引线制作时，可将正负铜片一端先固定于电气绝缘棒上，便于操作。外部电气绝缘筒约束冷却气流，防止气流从引线中间部分进出。

正负铜卷层间结构为正铜卷12-1，电气绝缘层15-2，负铜卷12-2，三层依序排列。而电气绝缘层形成的空腔则作为气流通道15-1。气流通道15-1以及电气绝缘层15-2可由多根细长绝缘块与绝缘片低温胶粘接而成。细长绝缘块在绝缘片上下面的位置可以相同或错开，其中15-1为气流通道，15-2为电气绝缘层。

引线中使用的电气绝缘材料选用环氧玻璃纤维材料。

一种正负一体的螺旋形截面电流引线制作步骤如下：

方法一(适用于焊接温度低于电绝缘材料熔点情况，如锡焊等)：

1)正负两铜片的准备；一定规格、尺寸，正极稍长。

2)两张电气绝缘层的准备；可由多根狭长条与绝缘片低温胶粘接而成。

3)正负两铜片的一端固定于电气绝缘棒上(固定位置分别为0度、180度处)；

4)两张电气绝缘层的一端固定于电气绝缘棒上(固定位置分别为90度、270度处)；

5)将两铜片及两绝缘片均匀绕电气绝缘棒卷起，直至末端；

6)正负极上下端环准备；在一定厚度(10～20mm)的铜圆柱上刻螺旋形狭缝。可采用线切割等技术。

7)将正负极上下端环与卷好的铜片组装，焊接；

8)在负极上端汇流排内侧及正负上端环之间加入电绝缘材料；

9)将正负上端环分别与相应的正负汇流排焊接；

10)将正负铜卷用电气绝缘板包裹，电气绝缘板的外边缘与上下两端用低温胶带及低温胶粘接密封。

方法二(适用于焊接温度高于电绝缘材料熔点情况，如银焊等)：

1)正负两铜片的准备；一定规格，尺寸、正极稍长。

2)两张电气绝缘层的准备；可由多根狭长条与绝缘片低温胶粘接而成。

3)正负两铜片的一端固定于电气绝缘棒上(固定位置分别为0度、180度处)；

4)在正负两铜片间夹两铜片(不与电气绝缘棒固定)，铜片长度稍长于正负铜片，厚度稍厚于电气绝缘层；

5)将四铜片均匀绕电气绝缘棒卷起，直至末端；

6)正负极上下端环准备，在一定厚度(10～20mm)的铜圆柱上刻螺旋形狭缝；可采用线切割等技术。

7)将正负铜片间的两铜片抽出，将正负极上下端环与卷好的铜片组装，焊接；

8)将正负上端环分别与相应的正负汇流排焊接；

9)在正负上端汇流排缝隙处注入低温胶作为电绝缘材料；

10)将两张电气绝缘层从下端插入正负铜卷间并固定(可以涂少量低温胶后插入)。

新引线优缺点

优点：

1.由于新引线的正负两极的温度场能保持较好的对称性及同步性，因此能有效的控制引线工作于最优化点，增加引线工作的稳定性。

2.由于此引线具有很大的气流与铜片换热面积，且气流通道为微流道(流道厚度约0.3至0.7mm)，因此引线的换热效率远远高于大部分其他类型的电流引线。且由于气流流通截面积较大，气流压降相对不高。

3.结构紧凑，体积与其他引线相比减小很多。

缺点：

1.由于引线中有电绝缘材料，因此引线不能工作于高温状态。引线能承受最高温度＜200℃。

2.制作过程较复杂。

Claims (7)

1. 一种螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，其特征在于，引线主体(7)由螺旋形正负铜卷(12)、电气绝缘筒(13)、电气绝缘棒(14)、气流通道(15-1)以及电气绝缘层(15-2)组成，其中，电气绝缘棒(14)位于中间位置，电气绝缘筒(13)在最外面，正负铜卷(12)及气流通道(15-1)和电气绝缘层(15-2)以电气绝缘棒(14)为中心螺旋形绕制而成，外围用电气绝缘筒包裹。

2. 根据权利要求1所述的螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，其特征在于，所述正负铜卷(12)层间结构包括：正铜卷(12-1)、电气绝缘层(15-2)和负铜卷(12-2)三层构成，所述三层材料以电气绝缘棒(14)为中心，由内向外依次旋转绕制依序排列，最外层用电气绝缘筒包裹。

3. 根据权利要求1或2所述的螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，其特征在于，所述电气绝缘层(15-2)由多根狭长绝缘块组成，绝缘块为矩形细长条，绝缘块与正负铜卷之间通过低温胶粘接而成，两绝缘块之间的空腔则作为气流通道(15-1)。

4. 根据权利要求1所述的螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，其特征在于，所述电气绝缘材料选用环氧玻璃纤维材料。

5. 根据权利要求1所述的螺旋形截面的正负一体电流引线主体结构，其特征在于，所述引线的出口部分由冷却气体出口(1)、正极上端汇流排(2)、绝缘层(3)、负极上端汇流排(4)、正极上端环(5)以及负极上端环(6)构成，其中，正极上端汇流排(2)位于正极上端环(5)上部，负极上端汇流排(4)位于负极上端环(6)上部，正极上端汇流排(2)以及正极上端环(5)与室温环境中的电源正极连接，称为正极部件，负极上端汇流排(4)以及负极上端环(6)与室温环境中的电源负极连接，称为负极部件，正极部件与负极部件之间为绝缘层(3)；负极下端环(8)、绝缘层(9)以及正极下端环(10)构成引线入口部分，其中绝缘层(9)处于负极下端环(8)与正极下端环(10)之间；引线的整体结构由引线出口部分、引线入口部分冷却气体出口(1)、正极上端汇流排(2)、绝缘层(3)、负极上端汇流排(4)、正极上端环(5)、负极上端环(6)、引线主体(7)、负极下端环(8)、绝缘层(9)、正极下端环(10)以及冷却气体入口(11)组成。

6. 一种螺旋形截面的正负一体电流引线制作方法，适用于焊接温度低于电绝缘材料熔点情况：

1)正负两铜片的准备；

2)两张电气绝缘层的准备；

3)正负两铜片的一端固定于电气绝缘棒上；

4)两张电气绝缘层的一端固定于电气绝缘棒上；

5)将两铜片及两绝缘片均匀绕电气绝缘棒卷起，直至末端；

6)正负极上下端环准备：在一定厚度的铜圆柱上刻螺旋形狭缝；

7)将正负极上下端环与卷好的铜片组装，焊接；

8)在负极上端汇流排内侧及正负上端环之间加入电绝缘材料；

9)将正负上端环分别与相应的正负汇流排焊接；

10)将正负铜卷用电气绝缘板包裹，电气绝缘板的外边缘与上下两端用低温胶带及低温胶粘接密封。

7. 一种螺旋形截面的正负一体电流引线制作方法，适用于焊接温度高于电绝缘材料熔点情况：

1)正负两铜片的准备；

2)两张电气绝缘层的准备；

3)正负两铜片的一端固定于电气绝缘棒上；

4)在正负两铜片间夹两铜片，铜片长度稍长于正负铜片，厚度稍厚于电气绝缘层；

5)将四铜片均匀绕电气绝缘棒卷起，直至末端；

6)正负极上下端环准备，在一定厚度的铜圆柱上刻螺旋形狭缝；

7)将正负铜片间的两铜片抽出，将正负极上下端环与卷好的铜片组装，焊接；

8)将正负上端环分别与相应的正负汇流排焊接；

9)在正负上端汇流排缝隙处注入低温胶作为电绝缘材料；

10)将两张电气绝缘层从下端插入正负铜卷间并固定。

Images