CN101587767B - 再冷凝超导磁体的电流引线结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种再冷凝超导磁体的电流引线结构，包括：位于上端的铜电流引线(20)，该铜电流引线(20)连接高温部分；位于下端的高温超导电流引线(40)，该高温超导电流引线(40)连接低温部分；以及连接所述铜电流引线(20)与高温超导电流引线(40)的换热器(30)，所述铜电流引线(20)先与换热器(30)的换热器上铜块(301)焊接后，再与高温超导电流引线(40)共同焊接于换热器(30)的换热器下铜块(303)上。本发明提供的是一种结构简单、性能稳定、运行可靠而且漏热小的再冷凝超导磁体的电流引线结构，最大限度的减小了换热器内部的温差，从而降低了高温电流引线的上端温度，提高了引线的稳定性。

Description

再冷凝超导磁体的电流引线结构

技术领域

本发明涉及高温超导电流引线技术领域，特别涉及一种再冷凝超导磁体的电流引线结构。

背景技术

再冷凝超导磁体的电流引线是连接室温端电源与低温端超导磁体的载流装置。再冷凝超导磁体的电流引线的设计要求要使得在给定的工作电流下，从高温端到低温端的导热以及引线本身的焦耳热之和最小。

在电流引线工作温度区间一定以及给定的工作电流下，电流引线从高温端向低温端的漏热存在一个最小值，其值为：

$Q_{\min }=I\sqrt{L_0(T_2^2-T_1^2)}---\left(1\right)$

其中：I-工作电流；L₀-Lorentz常数(2.45×10^-8WΩK^-2)；T₂-高温端温度；T₁-低温端温度。

在最小值漏热下，引线对应着一个最佳长度面积比，其关系为：

${\left(\frac{L}{A}\right)}_{\mathrm{opt}}=\frac{1}{I}{\∫}_{T_1}^{T_2}\frac{k}{\sqrt{L_0(T_2^2-T_1^2)}}\mathrm{dT}---\left(2\right)$

其中：L-铜引线长度；A-铜引线横截面积；k-铜引线导热系数。

目前，再冷凝超导磁体系统基本都采用铜电流引线和高温超导电流引线复合的二元电流引线。上端铜电流引线向低温端的漏热，通过换热器，被系统内部制冷机带走。目前的二元电流引线，虽然能实现向低温端供电的要求，但仍有不足之处，主要为换热器内部温差大，高温电流引线的上端温度偏高，影响电流引线的稳定性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，为克服上述已有技术的缺点，本发明的主要目的在于提出一种结构简单、性能稳定、运行可靠而且漏热小的再冷凝超导磁体的电流引线结构。本发明采用绝缘性能和导热性能良好的氮化铝陶瓷基片，以及厚度适中的金属箔片，以最大限度的减小换热器内部的温差，从而降低高温电流引线的上端温度，提高引线的稳定性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种再冷凝超导磁体的电流引线结构，该结构包括：

位于上端的铜电流引线20，该铜电流引线20连接高温部分；

位于下端的高温超导电流引线40，该高温超导电流引线40连接低温部分；以及

连接所述铜电流引线20与高温超导电流引线40的换热器30，所述铜电流引线20先与换热器30的换热器上铜块301焊接，再与高温超导电流引线40共同焊接于换热器30的换热器下铜块303上；

其中，所述换热器30包括：

由紧固螺钉305固定在一起的换热器上铜块301、换热器中铜块302和换热器下铜块303；

在换热器上铜块301与换热器中铜块302以及换热器中铜块302与换热器下铜块303之间分别固定的两个氮化铝陶瓷基片304，该氮化铝陶瓷基片304用于实现所述铜电流引线20与连接于换热器30的制冷机之间的电气绝缘；以及

用于穿过所述铜电流引线20使所述铜电流引线20焊接于换热器下铜块303的引线绝缘套306。

此外，根据本发明的一个实施例，所述铜电流引线20先与换热器30的换热器上铜块301焊接，然后穿过换热器30的引线绝缘套306，与高温超导电流引线40在换热器下铜块303上焊接，同时铜电流引线20产生的焦耳热和向低温端传递的导热漏热，通过与制冷机相连的换热器中铜块302被带走。

此外，根据本发明的一个实施例，所述在换热器上铜块301、氮化铝陶瓷基片304、换热器中铜块302、氮化铝陶瓷基片304和换热器下铜块303各层之间分别垫有铟箔、铝箔或铜箔，以减小换热器30内部的固体接触热阻，减小换热温差。

此外，根据本发明的一个实施例，所述高温超导电流引线40为Ag-Au包套的Bi-2223超导线，具有低的导热系数，在工作时，高温超导电流引线40处于超导态，可避免焦耳热，减小向低温系统的漏热。

此外，根据本发明的一个实施例，所述高温超导电流引线40镶嵌在开有小平槽的环氧支撑棒50内，上端与换热器下铜块303焊接，下端与磁体引出线接头60焊接。

此外，根据本发明的一个实施例，该电流引线结构为二元电流引线结构。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的这种再冷凝超导磁体的电流引线结构，是一种制冷机冷却的电流引线，其中的关键问题是：在保证电流引线与制冷机良好的电气绝缘下，引线与制冷机之间的热桥热阻应尽可能小。本发明采用具有良好导热性能和介电性能的氮化铝陶瓷基片304以及厚度适中的金属箔片来减小换热器内部的固体接触热阻，减小了高温超导电流引线40的上端工作温度，进而提高了电流引线工作的可靠性。

2、本发明提供的这种再冷凝超导磁体的电流引线结构，具有结构简单、工作可靠且向低温端漏热小的特点，可以应用于各种开环超导磁体。

3、本发明提供的是一种结构简单、性能稳定、运行可靠而且漏热小的再冷凝超导磁体的电流引线结构，最大限度的减小了换热器内部的温差，从而降低了高温电流引线的上端温度，提高了引线的稳定性。

附图说明

图1为本发明提供的再冷凝超导磁体的电流引线结构的示意图；其中，

10-电流引线与室温电源的接头；

20-铜电流引线；

30-换热器；其中：301-换热器上铜块；302-换热器中铜块；303-换热器下铜块；304-氮化铝陶瓷基片；305-紧固螺钉；306-绝缘套；

40-高温超导电流引线；

50-环氧支撑棒；

60-电流引线与超导磁体引出线的接头；

图2为本发明提供的再冷凝超导磁体的电流引线结构与超导磁体连接示意图；其中，

1-室温端密封法兰；

2-真空隔离波纹管；

3-二元电流引线；

4-液氦筒；

5-超导磁体引出线；

6-超导磁体；

7-液氦浴池。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的再冷凝超导磁体的电流引线结构的示意图。该电流引线结构为二元电流引线结构，结构简单，性能可靠，具体包括：

位于上端的铜电流引线20，该铜电流引线20连接高温部分，采用铜电流引线，按照公式(1)、(2)的要求，采用最佳长度截面尺寸，实现最小漏热的要求；

位于下端的高温超导电流引线40，该高温超导电流引线40连接低温部分，采用Ag-Au包套的Bi-2223超导线，具有低的导热系数；在工作时，高温超导电流引线40处于超导态，可以避免焦耳热，减小向低温系统的漏热；以及

连接所述铜电流引线20与高温超导电流引线40的换热器30，所述铜电流引线20先与换热器30的换热器上铜块301焊接，再与高温超导电流引线40共同焊接于换热器30的换热器下铜块303上。

其中，所述换热器30内部采用导热性能和介电性能良好的氮化铝陶瓷基片304以及厚度适中的金属箔片，来减小换热器内部温差，降低高温超导线上端温度，提高引线的稳定性，具体包括：

由紧固螺钉305固定在一起的换热器上铜块301、换热器中铜块302和换热器下铜块303；

在换热器上铜块301与换热器中铜块302以及换热器中铜块302与换热器下铜块303之间分别固定的两个氮化铝陶瓷基片304，该氮化铝陶瓷基片304用于实现所述铜电流引线20与连接于换热器30的制冷机之间的电气绝缘；以及

用于穿过所述铜电流引线20使所述铜电流引线20焊接于换热器下铜块303的引线绝缘套306。

所述铜电流引线20先与换热器30的换热器上铜块301焊接，然后穿过换热器30的引线绝缘套306，与高温超导电流引线40在换热器下铜块303上焊接，同时铜电流引线20产生的焦耳热和向低温端传递的导热漏热，通过与制冷机相连的换热器中铜块302被带走。

所述在换热器上铜块301、氮化铝陶瓷基片304、换热器中铜块302、氮化铝陶瓷基片304和换热器下铜块303各层之间分别垫有铟箔、铝箔或铜箔，以减小换热器30内部的固体接触热阻，减小换热温差。

所述高温超导电流引线40为Ag-Au包套的Bi-2223超导线，具有低的导热系数，在工作时，高温超导电流引线40处于超导态，可避免焦耳热，减小向低温系统的漏热。

所述高温超导电流引线40镶嵌在开有小平槽的环氧支撑棒50内，上端与换热器下铜块303焊接，下端与磁体引出线接头60焊接。

该电流引线结构为二元电流引线结构。

如图2所示，图2为本发明提供的再冷凝超导磁体的电流引线结构与超导磁体连接示意图。电流引线3连接浸泡在液氦筒4内的液氦浴池7里的超导磁体6与处于室温的电源。相对于传统的铜电流引线，采用二元结构的电流引线结构，可以有效地减小向低温端的漏热。上端铜电流引线20位于防热辐射的不锈钢波纹管2内，其顶部通过室温端密封法兰1与室温端电源相连。铜电流引线20产生的焦耳热以及向低温端的导热漏热通过换热器被与之相连的制冷机吸收，正常工作时，可以使得换热器温度维持在40K左右(具体温度由制冷机冷头温度决定)。下端高温超导电流引线40通过磁体引出线5与超导磁体6相连。室温端电源、两根电流引线以及超导磁体，构成一个封闭环路。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，该结构包括：

位于上端的铜电流引线(20)，该铜电流引线(20)连接高温部分；

位于下端的高温超导电流引线(40)，该高温超导电流引线(40)连接低温部分；以及

连接所述铜电流引线(20)与高温超导电流引线(40)的换热器(30)，所述铜电流引线(20)先与换热器(30)的换热器上铜块(301)焊接后，再与高温超导电流引线(40)共同焊接于换热器(30)的换热器下铜块(303)上；

其中，所述换热器(30)包括：

由紧固螺钉(305)固定在一起的换热器上铜块(301)、换热器中铜块(302)和换热器下铜块(303)；

在换热器上铜块(301)与换热器中铜块(302)以及换热器中铜块(302)与换热器下铜块(303)之间分别固定的两个氮化铝陶瓷基片(304)，该氮化铝陶瓷基片(304)用于实现所述铜电流引线(20)与连接于换热器(30)的制冷机之间的电气绝缘；以及

用于穿过所述铜电流引线(20)使所述铜电流引线(20)焊接于换热器下铜块(303)的引线绝缘套(306)。

2.根据权利要求1所述的再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，所述铜电流引线(20)先与换热器(30)的换热器上铜块(301)焊接，然后穿过换热器(30)的引线绝缘套(306)，与高温超导电流引线(40)在换热器下铜块(303)上焊接，同时铜电流引线(20)产生的焦耳热和向低温端传递的导热漏热，通过与制冷机相连的换热器中铜块(302)被带走。

3.根据权利要求1所述的再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，所述换热器上铜块(301)、氮化铝陶瓷基片(304)、换热器中铜块(302)、氮化铝陶瓷基片(304)和换热器下铜块(303)各层之间分别垫有铟箔、铝箔或铜箔，以减小换热器(30)内部的固体接触热阻，减小换热温差。 

4.根据权利要求1所述的再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，所述高温超导电流引线(40)为Ag-Au包套的Bi-2223超导线，具有低的导热系数，在工作时，高温超导电流引线(40)处于超导态，可避免焦耳热，减小向低温系统的漏热。

5.根据权利要求1或4所述的再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，所述高温超导电流引线(40)镶嵌在开有小平槽的环氧支撑棒(50)内，上端与换热器下铜块(303)焊接，下端与磁体引出线接头(60)焊接。

6.根据权利要求1所述的再冷凝超导磁体的电流引线结构，其特征在于，该电流引线结构为二元电流引线结构。 

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