CN101740887B - 用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间的连接件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间高换热效率的连接件，包括有棒状铜芯体，芯体中央有通孔，所述的通孔堵塞，所述的通孔周围有线切割形成的放射状翅片，翅片之间构成流道，翅片外侧的芯体中有冷却气流通道，所述的冷却气流通道一端在芯体侧壁上开口，冷却气流通道另一端与通向左端的沉孔；芯体左端与高温超导组件的不锈钢分流器圆筒相联接，右端与阻性换热器相联接。低温试验证明，所公开的连接件使HTS温端温度与冷却气流的温差降低至10K水平，大幅度提高HTS电流引线的运行稳定性和安全性，达国际先进水平。

Description

用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间的连接件
技术领域
本发明涉及大型热核聚变装置中超导磁体的供电馈线，属于低温超导磁体的馈线技术领域。
背景技术
热核聚变将是人类彻底解决能源需求之路，国际热核聚变试验堆(ITER)计划将在未来十年建成。为其巨型低温超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷来源。采用HTS电流引线可使其致冷电耗节省2/3。2002和03年日、德先后为ITER磁体研发成功60kA和70kA HTS电流引线。日原子能所采用由48个HTS超导叠和不锈钢支撑筒组成的HTS组件与上千股铜线组成的阻性换热器直接连接；欧洲核研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)配备1100多支HTS电流引线，其中13kA电流引线的过渡段长度210mm。因此，当10K冷却氦流提供换热器时，HTS温端温度为40K，二者温差高达30K。这两种设计都存在一段无气冷的过渡段，因此，当电流通过这连接件所产生的焦耳热必然传递给阻性换热器，然后被冷却气体带走。这种结构使HTS温端温度比冷却气体的入口温度高20K和30K。显然，如此大的温差将导致致冷成本大幅度增加。
德国卡尔斯鲁厄研究中心技术物理研究所的70kA HTS电流引线则采用12个HTS组件的温端与钎焊有数百翅片的阻性换热器的冷端螺纹连接，并加150℃熔点焊料减小接头电阻。由于此连接件的长度仅仅50mm，因此在50K氦气进口温度情况下HTS温端温度可达到65K，但流量比优化值高约10％。
HTS大电流引线的高温超导段现都采用传导冷却，从HTS温端至引线室温端做成气冷的阻性铜换热器。HTS段的冷端通常用4.5K超临界氦冷却，而HTS的临界电流与温度密切相关，5K下的临界电流是77K下的数倍。因此HTS组件的载流能力实际上取决于温端温度，降低此温度可提高载流能力或节省昂贵的HTS用量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间高换热效率的连接件，在同样的冷却气体入口温度条件下，尽量降低HTS组件温端的运行温度，比如降低温差由15K降至10K水平。可获得下列好处：1)提高HTS的载流能力，因为HTS的临界电流随着温度降低而提高，如美国超导公司生产的Bi-222 3超导带，其64K的临界电流比77K时高约一倍；因此可提高HTS件的运行温度裕度或减少HTS用量。2)对于安全性要求特高的巨型超导磁体，如失冷后要求磁体在数分钟内慢退电流的，则不容许HTS段在此时间内进入失超转变，为此不得不采取相当大的温度裕度。3)节省冷却气流流量，减少电流引线的致冷功耗。
本发明的技术方案如下：
一种用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间高换热效率的连接件，其特征在于：包括有棒状铜芯体，所述的芯体两端分别有沉孔，芯体左端的沉孔中接封盖板，芯体中央有工艺通孔，所述的通孔周围有线切割形成的放射状翅片，装配时所述的通孔堵塞，翅片之间狭缝构成流道，所述的盖板与翅片间有间隙，所述的翅片外侧的芯体中有冷却气流通道，所述的冷却气流通道一端在芯体侧壁上开口，冷却气流通道另一端与通向左端的沉孔；芯体左端与高温超导组件的不锈钢分流器圆筒高温真空钎焊联接，右端与阻性换热器电子束焊接或低温真空钎焊联接。
本发明提出了内翅片冷却的设计概念，连接段采用实心铜棒的芯部线切割散热翅片。为降低电流引线的自场，HTS叠通常分布在支撑筒的表明构成组件，其温端连接件内电流场的靠近外圆柱面的电流密度较大，而芯部较低。本发明的翅片间的纵向辐射状窄缝的特点：1)窄缝的等效流体直径小，换热系数高，对于雷诺数低于2000流体可按层流计算其换热系数，h＝38×k/de，式中k是冷却气体的传热系数(与温度相关)，de是等效流体直径，尽量减小de，有利于h值提高；2)便于在线切割机上加工。
为了进一步增加换热面积，此连接段还可以向HTS支撑筒内部延伸。此延伸段基本不参与导电，但有2个重要功能：1)增加换热面积，减小HTS温端与冷却气体的温差；2)增加热沉，一旦出现失冷故障时这部分冷质量可延缓HTS温端升温速率，拉长到达失超转变温度的时间，提高HTS电流引线的安全性。需注意：此延伸进入分流器圆筒内的连接件不能与分流器有直接接触，这部分不参与导电；而对增加换热面积和热沉有贡献。
连接件的冷端与不锈钢分流器圆筒之间、与换热器外套(不锈钢)氩弧焊的不锈钢环之间、端盖与棒状铜芯体都采用真空钎焊，后两道焊缝必须真空气密。HTS叠与连接件之间采用真空锡焊，焊锡熔点183℃。连接件与换热器之间采用电子束焊接，以减小接头电阻。
HTS组件温端的热源有：HTS叠与连接段的接头电阻和连接段本身电阻产生的焦耳热；当连接段有良好气冷条件下，还有来自阻性换热器的传导热。反之，如果此连接段实芯无气冷，则连接段的温度高于换热器，必须通过传热将焦耳热交给阻性换热器冷段的散发到冷却气流中。当阻性换热器冷段换热效率低下时，HTS温端温度自然会升高。
采用高温超导(HTS)电流引线可节省常规电流引线致冷能耗的2/3，原常规电流引线的热负荷又占聚变装置总热负荷的60％，故经济效益明显。采用HTS电流引线已经成为从事超导磁体设计者的共识，而HTS段与阻性铜换热器之间连接件的高换热效率对于降低HTS温端的温度、减少冷却剂流量和提高电流引线运行稳定性具有重要作用。
本发明已应用于ITER装置需要的52kA高温超导电流引线试验件，在低温试验中已表现出HTS温端与冷却氦流之间温差5～11K的效果，对于改善运行稳定性和安全性的十分有利。
在ITER的10kA高温超导电流引线的连接件设计中将此发明又作了进一步发挥：将此连接件芯体延伸至HTS段分流器圆筒内部，进一步增加换热面积，增加连接件的热沉，有利于进一步降低HTS温端与冷却氦流之间的温差，从而进一步提高电流引线的运行稳定性和安全性。
附图说明
图1为是美国超导公司提供的用于HTS电流引线的Bi-2223/Ag-5.3wt.％Au超导带临界电流在4档温度(77、70、64和50K)下与垂直于带面磁场分量关系曲线。
图2为本发明棒状铜芯体剖视结构图和截面视图。其中，(a)、棒状铜芯体剖视图；(b)、是(a)图的C-C向剖视图。
图3为本发明与高温超导组件的不锈钢分流器圆筒、阻性换热器相联接结构图。
具体实施方式
图1是美国超导公司提供的用于HTS电流引线的Bi-2223/Ag-5.3wt.％Au超导带临界电流在4档温度(77、70、64和50K)下与垂直于带面磁场分量关系曲线。由图可见，银金基铋系高温超导带在自场下临界电流对垂直场十分敏感，对于一对特大电流引线的最高自场往往可达0.1T以上。如果HTS运行在77K温度，则临界电流低于零场下的20％；如果温度降至64K，则临界电流可提高3倍；如果再进一步降低，则效果更佳。
图2和3是一种用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间高换热效率的连接件，包括有棒状铜芯体1，所述的芯体1两端分别有沉孔2、3，芯体左端的沉孔2中封装有焊接的盖板4，芯体1中央有通孔，所述的通孔用不锈钢杆堵塞，所述的通孔周围有线切割形成的放射状翅片5，翅片5之间狭缝构成流道，盖板4与翅片5端部之间有间隙，所述的翅片5外侧的芯体中有冷却气流通道6，所述的冷却气流通道6一端在芯体1侧壁上开口，冷却气流通道6另一端与通向左端的沉孔2；芯体1左端与高温超导组件的不锈钢分流器圆筒7相联接，右端与阻性换热器8相联接。
换热翅片中心有10mm通孔，是线切割所必须有的；装配时用不锈钢杆堵塞，以阻止氦流走此通道。
过低的HTS温端温差也无必要，据数字仿真，当此温差低于10K情况下，将要求冷却气流的流量增加，从而导致制冷成本明显提高。
本发明已用于52kA电流引线设计，并获得了很好的试验结果。据理论计算，HTS温端接头电阻和连接段的焦耳热为39W，来自阻性换热器的传导热为307W，50K/3bar氦流的导热系数k＝0.055W/K-m2，当氦流缝隙为0.18mm时其等效流体直径为0.357mm，故换热系数h＝586W/Km2，48条外径66mm、内径10mm辐射状窄缝的湿周界Pw＝3.12m，hPw＝1860W/K-m，当翅片长度0.1m时，换热面积为0.312m2，即理论可达到的平均温差1.7K。
以ITER装置的52kA电流引线为例，50K冷却氦流从通径10mm通道进入连接件，在端盖处转向分散至各翅片间的狭缝。由于狭缝宽度0.18mm，使氦流与翅片之间的换热很好。当此电流引线稳态运行在52kA时，HTS组件温端与氦流入口的温差在11K水平；但运行电流为57kA，氦流流量增加至3.5g/s时，此温差减小至5～6K。与此可对比的是另一支68kA电流引线，连接件无直接气冷，当电流引线运行在68kA额定值时，其HTS组件温端与氦流入口温差大于20K。为了降低HTS组件温端温度，使它接近65K的设计值，不得不加大流量，这导致换热器过冷。经比较，这连接段有无良好的气冷，会导致HTS温端运行温度的差异10K多。10K的温度下降，能使HTS的临界电流提高50％；使失冷后失超发生推迟1～2分钟，大大改善HTS电流引线运行的稳定性和安全性。

Claims (1)

1.一种用于大电流引线高温超导段与阻性换热器之间高换热效率的连接件，其特征在于：包括有棒状铜芯体，所述的芯体两端分别有沉孔，芯体左端的沉孔中接封盖板，芯体中央有工艺通孔，所述的通孔周围有线切割形成的放射状翅片，装配时所述的通孔堵塞，翅片之间狭缝构成流道，所述的盖板与翅片间有间隙，所述的翅片外侧的芯体中有冷却气流通道，所述的冷却气流通道一端在芯体侧壁上开口，冷却气流通道另一端  通向左端的沉孔；芯体左端与高温超导段的不锈钢分流器圆筒高温真空钎焊联接，右端与阻性换热器电子束焊接或低温真空钎焊联接。
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