CN101630561A - 高温超导二元电流引线热截流装置 - Google Patents

高温超导二元电流引线热截流装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温超导二元电流引线热截流装置，包括有液氮槽、液氦槽，液氮槽、液氦槽内分别装有液氮与液氦，其特征在于：所述的液氦槽上联通有电流引线颈管，电流引线颈管内设有高温超导引线；电流引线颈管中间部位连接有导热盘，导热盘嵌装在所述的液氮槽中央孔内，导热盘的上、下端面分别与液氮槽中央孔的槽壁固定连接在一起；导热盘上、下端面之间开有多个竖直通孔分别作为电流引线通道、测量引线通道以及冷氦气回气通道；导热盘圆柱侧面沿水平方向开有多条液氮冷却槽，所述的水平液氮冷却槽与液氮槽联通。本发明发挥了液氮冷却具有潜热大、热沉效果好的特点，使得高温超导引线部分的温度裕度提高，大大增加了高温超导引线的运行稳定性和安全性，减少了电流引线、测量引线、电流引线颈管对液氦槽的漏热。

Description

高温超导二元电流引线热截流装置
技术领域
本发明涉及用于超导磁体的高温超导二元电流引线冷却技术，具体是一种高温超导二元电流引线热截流装置。
背景技术
为超导磁体馈电的电流引线漏热占超导装置总漏热的比重比较大，电流引线漏热主要是由沿电流引线从室温环境向低温环境的传导热和引线自身焦耳热两部分组成。在气冷条件下常规的铜电流引线由于铜的热导率大，在设计工作电流、温度为4.2K时，从室温环境到4.2K低温环境的理论最优漏热量(优化条件为冷量100％回收，即氦气出口温度与顶端环境温度相等。)达到1.04w/KA，商用铜电流引线一般为1.16w/KA。80年代后期高温超导材料研发成功后，很快就有人想到应用高温超导二元电流引线可以大幅度降低电流引线的热负荷。高温超导二元电流引线由高温超导引线和常规铜引线组成，铜引线工作在室温和中间热截流温度(一般为液氮温度77K)之间；高温超导引线工作在热截流温度和超导磁体工作温度(4.2K)之间。高温超导引线的优点是它运行在低于高温超导材料临界温度Tc的超导态，消除了焦耳热；而且作为陶瓷材料的高温超导体的热导率相对较低，能够在很大程度上减少沿引线从高温区向低温区的热传导漏热。二元电流引线理论最优漏热量相比经过气冷优化后的铜电流引线可以减少90％以上。
虽然高温超导引线的使用能大幅度减小系统漏热，但是对于由铜引线与高温超导引线组成的混合二元电流引线，怎样正确合理地选择冷却方式和冷却温度也是发挥高温超导二元电流引线优异性能的关键。高温超导引线与铜引线组成的二元电流引线冷却方法多种多样，但都或多或少存在一些缺点有待改进：
1、当采用无液体冷却剂的制冷机直接冷却方式时，电流引线与制冷系统相连，靠传导冷却。但是对于通电电流较大的超导磁体系统，制冷机一级冷头的制冷功率可能不足以完全带走铜引线产生的热负荷，从而导致超导磁体不能正常工作；
2、如果采用液氦蒸发气冷，则为了保证高温超导引线在临界温度下正常工作，液氦蒸发量偏高不经济。如果采用液氮蒸发冷却，则液氦槽的冷氦气回气的冷量就无法充分利用(因为目前的电流引线冷却方式决定了冷氦气将无法从电流引线颈管回气)只能白白浪费，另外由于没有冷氦气回气冷却液氮温区沿颈管对液氦的漏热也将增加；
3、如果仅采用液氦或液氮气冷，则二元电流引线减小漏热的效果是十分有限的。相比铜电流引线，气冷二元电流引线只能把液氦蒸发率减小到约75％。对于现有的临界温度低于130K的高温超导二元电流引线，选择一个中间温度截断热流是必须的，只有合理地采用了中间热截流装置截断高温端热流才能有效地减少总体的能量消耗。
发明内容
本发明提供了一种高温超导二元电流引线热截流装置，其具有减少电流引线漏热、提高高温超导引线温度裕度、增加高温超导引线运行稳定性和安全性的特点。
本发明的技术方案如下：
高温超导二元电流引线热截流装置，包括有液氮槽、液氦槽，液氮槽、液氦槽内分别装有液氮与液氦，其特征在于：所述的液氦槽上联通有电流引线颈管，电流引线颈管内设有高温超导引线；电流引线颈管中间部位连接有导热盘，导热盘嵌装在所述的液氮槽中央孔内，导热盘的上、下端面分别与液氮槽中央孔的槽壁固定连接在一起；导热盘上、下端面之间开有多个竖直通孔分别作为电流引线通道、测量引线通道以及冷氦气回气通道；导热盘圆柱侧面沿水平方向开有多条液氮冷却槽，所述的水平液氮冷却槽与液氮槽联通；所述的导热盘电流引线通孔内安装有导热绝缘工形套筒，所述的导热绝缘工形套筒上端安装有铜引线与高温超导引线连接用接头，所述的电流引线颈管内的高温超导引线穿过所述的导热绝缘工形套筒在所述的接头处与上部铜引线连接。
高温超导二元电流引线热截流装置，其特征在于：所述的导热盘选用紫铜材料做成；所述的导热绝缘工形套筒选用具有高电绝缘性和高导热性的氮化铝(AlN)陶瓷材料加工而成，其体积电阻率大于1013(Ω·cm)/25℃，导热率可达100w/(m·k)。
本发明专利发挥了液氮冷却具有潜热大、热沉效果好的特点，使得高温超导引线部分的温度裕度提高，大大增加了高温超导引线的运行稳定性和安全性，同时由于冷氦气的冷量得到了完全回收，大大减少了高温超导引线、测量引线、电流引线颈管对液氦槽的漏热，通过计算分析表明有冷氦气回气冷却的颈管比没有回气冷却的颈管，漏热量至少减少50％以上。热截流冷却装置一方面可以通过导热盘从液氮获取冷量冷却高温超导引线的高温端，并在铜引线的下端将来自铜引线的热流截断，发挥了液氮作为高效热沉的作用；另一方面又能保证冷氦气能够沿电流引线颈管穿过导热盘，达到冷却电流引线颈管、高温超导引线、测量引线、铜引线的效果，直到氦气温度与室温相等时才进入氦气回气柜，冷氦气的冷量得到100％回收。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的导热盘的俯视图。
具体实施方式
高温超导二元电流引线热截流装置，包括有液氮槽3、液氦槽6，液氮槽3、液氦槽6内分别装有液氮与液氦，其特征在于：所述的液氦槽6上联通有电流引线颈管5，电流引线颈管5内设有高温超导引线4；电流引线颈管5中间部位连接有导热盘1，导热盘1嵌装在所述的液氮槽中央孔14内，导热盘1的上、下端面分别与液氮槽中央孔14的槽壁8固定连接在一起；导热盘1上、下端面之间开有多个竖直通孔分别作为电流引线通道12、测量引线通道13以及冷氦气回气通道11；导热盘1圆柱侧面沿水平方向开有多条液氮冷却槽10，所述的水平液氮冷却槽10与液氮槽3联通；所述的导热盘电流引线通道12内安装有导热绝缘工形套筒2，所述的导热绝缘工形套筒2上端安装有铜引线与高温超导引线连接用接头7，所述的电流引线颈管5内的高温超导引线4穿过所述的导热绝缘工形套筒2在所述的接头7处与上部铜引线9连接。
所述的导热盘1由热导好的紫铜材料做成；在导热盘1上开有通孔作为电流引线通道12、测量引线通道13以及冷氦气回气通道11，高温超导引线4穿过电流引线通道12与上部铜引线9对接形成二元电流引线，从液氦槽6出来的测量引线经测量引线通道13连接到超导磁体装置的测量引线接口上，从液氦槽6蒸发出来的部分冷氦气穿过所述的冷氦气回气通道11，将高温超导引线4、电流引线颈管5、测量引线、铜引线9的热负荷一并带走；在导热盘1圆柱侧面沿水平方向开有多条液氮冷却槽10，液氮可以通过所述的液氮冷却槽10进入导热盘1内部将其冷却到液氮温度；导热盘1大小根据电流引线工作电流确定，对于200A的工作电流，导热盘1厚约50mm，直径150mm左右。
所述的导热绝缘工形套筒选用具有高电绝缘性和高导热性的氮化铝(AlN)陶瓷材料加工而成，其体积电阻率大于1013(Ω·cm)/25℃，导热率可达100w/(m·k)，从而把高电绝缘和高导热性能结合起来。导热绝缘工形套筒2垫在铜引线与高温超导引线连接用接头7和导热盘1之间，从而实现两根电流引线之间的电绝缘，同时基于氮化铝的高导热性能导热盘1又可以将来自液氮的冷量通过导热绝缘工形套筒2间接传递给高温超导电流引线4的高温端，从而将高温超导电流引线4冷却到临界温度之下。

Claims (2)

1、高温超导二元电流引线热截流装置，包括有液氮槽、液氦槽，液氮槽、液氦槽内分别装有液氮与液氦，其特征在于：所述的液氦槽上联通有电流引线颈管，电流引线颈管内设有高温超导引线；电流引线颈管中间部位连接有导热盘，导热盘嵌装在所述的液氮槽中央孔内，导热盘的上、下端面分别与液氮槽中央孔的槽壁固定连接在一起；导热盘上、下端面之间开有多个竖直通孔分别作为电流引线通道、测量引线通道以及冷氦气回气通道；导热盘圆柱侧面沿水平方向开有多条液氮冷却槽，所述的水平液氮冷却槽与液氮槽联通；所述的导热盘电流引线通孔内安装有导热绝缘工形套筒，所述的导热绝缘工形套筒上端安装有铜引线与高温超导引线连接用接头，所述的电流引线颈管内的高温超导引线穿过所述的导热绝缘工形套筒在所述的接头处与上部铜引线连接。
2、根据权利要求1所述的高温超导二元电流引线热截流装置，其特征在于：所述的导热盘选用紫铜材料做成；所述的导热绝缘工形套筒选用具有高电绝缘性和高导热性的氮化铝(AlN)陶瓷材料加工而成，其体积电阻率大于1013(Ω·cm)/25℃，导热率可达100w/(m·k)。
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