CN102117691A - 超导磁体的电流引线系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导磁体的电流引线系统，该电流引线系统包括一电流引线、至少一与电流引线的一端热耦合的导热件、一穿过导热件的冷却剂通道、以及一与冷却剂通道连通的冷却源。通过在该冷却剂通道中传输冷却剂，以冷却所述电流引线的一端。

Description

超导磁体的电流引线系统

技术领域

本发明涉及一种用于超导磁体的引线系统，尤其是涉及一种带有低温制冷系统的超导磁体引线系统，以将一电流引线与超导磁体电连接的一端保持在低温。

背景技术

当超导磁体被保持在合适的低温时(以下简称“超导温度”)，用超导磁体传输电流，其上的电阻为零。然而，如果环境温度高于超导温度，磁体电阻上升，将会产生损耗。因此，需要为超导磁体配置冷却装置以确保超导磁体在超导温度下工作。

超导磁体包括超导线圈，超导线圈经由电流引线与一电源设备电连接。电流引线的一端与超导线圈电连接，另一端与所述电源设备电连接。因为在励磁过程中，电流引线产生的焦耳热(或者欧姆热)有可能传导给超导线圈。因此，需要使用低温制冷装置来冷却所述电流引线与超导线圈电连接的那一端(以下简称“冷端”)，而与电源设备电连接的另一端相应称为“热端”。

一种现在电流引线的制冷装置，包括一导热件，该导热件与所述电流引线的冷端热耦合，但是与该冷端电绝缘。为了具备好的导热性，导热件通常由例如铜、铝之类的金属材料制成。从而，为了保持导热件与电流引线冷端的电隔离，需要在其间设置陶瓷垫之类的绝缘垫片。这些绝缘垫片被焊接在导热件，并尽可能的降低其间的热阻。但是，绝缘垫片的热阻会随着热传导通路温度的降低而升高。此外，绝缘垫片与导热件的焊接可能会因为机械应力和热应力的作用而断裂，从而导致冷却的不可靠。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种超导磁体的电流引线系统，其具有简单、可靠的冷端低温制冷系统。

本发明的一个方面在于提供一种超导磁体的引线系统，该系统包括一电流引线、至少一个与电流引线的一端热耦合的导热件、至少一个贯穿导热件的冷却剂通路、以及一个冷却剂制冷源。所述冷却剂通道包含至少一个连接口，所述冷却剂制冷源通过冷却剂通道的连接口与冷却剂通路相连通。

本发明的另一个方面在于提供一种超导磁体的电流引线系统，该超导磁体系统包括至少一个超导线圈、正极电流引线和负极电流引线、以及一低温制冷系统。所述超导线圈包括正极和负极，而所正极电流引线和负极电流引线一端分别与相应的超导磁体正、负极电连接。所述低温制冷系统包括至少一个与正极、负极电流引线所述一端相热耦合且机械连接的导热件、以及至少一贯穿导所述热件中的冷却剂通路。

本发明的又一个方面在于提供一种冷却方法，该方法包括将一导热件与一电流引线的一端机械连接，并使其热耦合；将至少一个连接管与导热件上的通孔相连通，从而在连接管与所述导热件上的通孔内形成一条冷却剂通路；以及通过连接管使一液体冷却剂流入导热件上的通孔。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示是一个超导磁体的示意图，该超导磁体包括缠绕在轴上的超导线圈；

图2所示为一超导磁体系统一个实施方式的示意图；

图3所示为一超导磁体系统另一个实施方式的示意图；

图4所示为一超导磁体系统又一个实施方式的示意图。

具体实施方式

本发明的若干个实施方式有关超导磁体引线系统。该引线系统包括一正极电流引线、一负极电流引线、和一个低温制冷系统。所述正、负极电流引线各有与一电源设备电连接的一端(下称“热端”)，以及与超导磁体电连接的另一端(下称“冷端”)。所述低温制冷系统包括与导电线的冷端热耦合的导热件、以及穿过导热件的冷却剂通道。一液体冷却剂流经所述冷却剂通道，吸收导电线冷端的热，并挥发为气体以将热量带走，从而将导电线的冷端保持在低温，而不向超导磁体传热。电流通过正、负极导电极的冷端传送到超导线圈的正、负极。

参照图1所示，一超导磁体12(“磁体12”)包括至少一个缠绕在轴筒122上的磁体线圈120。在所示的实施方式中，超导线圈120包括了正极124和负极126以接受电流。在某些实施方式中，超导线圈120由诸如铌-钛合金、铌三锡、二硼化镁、铋锶钙铜的氧化物(BSCCO)、钇钡铜氧(YBCO)等超导材料制成，并被保持在超导临界温度以下。因此，超导线圈120的电阻很小。在某些实施方式中，磁体12可以包括缠绕在轴筒122上的多个超导线圈，以便所需要的磁场和/或磁能。在某些实施方式中，磁体12还进一步包括一个包覆在超导线圈120外部的保护层(未在图1中标示)。

请参照图2所示，作为一个实施方式，超导磁体系统10包括磁体12和引线系统14，其中引线系统14包括一个依据本发明的一个实施方式的制冷系统28。为简化视图，超导线圈122、轴筒124在图2-4中都被省略。在所示的实施方式中，引线系统14包括至少一个正极电流引线16和至少一个负极电流引线18。每个正、负极电流引线16、18都有一个热端20与电源22通电相连，以及一个冷端24与磁体12相应的正、负极124、126通电相连，以便将电流从电源22向磁体12传输。在某些实施方式中，正、负极电流引线16、18由诸如铜、铝、黄铜、不锈钢或者BSCCO、YBCO等高温超导材料构成。在所示的实施方式中，引线系统14的正、负极电流引线16、18之间设有一个绝缘体26。在一些实施方式中，绝缘体26由玻璃纤维复合材料或塑料材料等绝缘制成。在其他实施方式中，正、负极电流引线16、18之间的间距足够大，从而不必在其间设置绝缘体。在图2所示的实施方式中，引线系统14还包括一个低温制冷系统28(“制冷系统28”)，以便将正、负极电流引线16、18的冷端24维持在一个较低的温度。

如图2所示的实施方式中，制冷系统28包括至少一个导热件30a、30b和一个冷却剂通道32a、32b，其中导热件30a、30b分别与正、负极电流引线16、18的冷端24热耦合，而冷却剂通道32a、32b贯穿导热件30a、30b。液态冷却剂流经冷却剂通道，吸收冷端24的热量，同时受热挥发为气体，将热量带走。因此，正、负极电流引线16、18的冷端24能保持低温而不向超导磁体12传热。在某些实施方式中，冷却剂通道32a、32b中流动的液态冷却剂可以包括氮、氖、氢、氦或其他能够从冷端24带走充分热量的合适的冷却剂。

在图2所示的实施方式中，至少一个导热件30a、30b由导电性能和导热性能都良好的金属或合金构成，例如铜、铝、银、黄铜或者其合金。在所示的实施方式中，制冷系统28的第一导热件30a与正极电流引线16热耦合，而第二导热件30b则与负极电流引线18热耦合。作为一个实施方式，导热件30a、30b可能以软钎焊、硬钎焊或焊接的方式固持在相应的电流引线16、18上并与其接触。在另一个实施方式中，第一、第二导热件30a、30b可能分别是正、负极电流引线16、18的整体的一部分。

在图2所示的实施方式中，制冷系统28的第一冷却剂通道32a贯穿第一导热件30a，而第二冷却剂通道32b贯穿第二导热件30b。如前所述，通道32a、32b传输冷却剂并分别与第一、第二导热件30a、30b热耦合。在所示实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b分别穿过相应导热件30a、30b中的通孔34，若干个连接管36经由软钎焊、焊接或硬钎焊等方式与通孔34的两端相连。从而，冷却剂通道32a、32b中的液态冷却剂通过通孔34与导热件30a、30b直接接触，以有效的冷却导热件30a、30b，进而冷却电流引线16、18。在另一个实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b的连接管贯穿导热件30a、30b的通孔34，冷却剂通道32a、32b中的液态冷却剂通过连接管的管壁与导热件30a、30b热耦合，以冷却电流引线16、18。在某些实施方式中，连接管36由例如不锈钢、铜或黄铜等金属材料制成。

在某些实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b各包括至少一个将液态冷却剂引入通道内的连接口。在图2所示的实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b两端各有第一连接口38a、38b和第二连接口40a、40b，用以引入冷却剂或将气体排出冷却剂通道。因此，第一、第二导热件30a、30b通过第一、第二冷却剂通道32a、32b中流动的液态冷却剂进行冷却。

在所示的实施方式中，制冷系统28包括两个冷却剂制冷源42a、42b，该两冷却剂制冷源分别与第一、第二冷却剂通道32a、32b的第一、第二连接口38a、38b、40a、40b相连通。在一个实施方式中，冷却剂制冷源42a、42b为存储液态冷却剂的冷却器储存罐。液体冷却剂经由第一连接口38a、38b从冷却剂储存罐42a、42b流入冷却剂通道32a、32b，而其气化后的气体则从第二连接口40a、40b从第一、第二冷却剂通道32a、32b排出。在所示的实施方式中，冷却剂储存罐42a、42b的位置应高于第一、第二冷却剂通道32a、32b，因此，液态冷却剂在重力的作用下从冷却剂储存罐42a、42b流进第一、第二冷却剂通道32a、32b。

在所示实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b中的液态冷却剂来自不同的的冷却剂储存罐。在所示实施方式中，第一、第二冷却剂通道32a、32b的第一、第二连接口38a、38b、40a、40b分别与冷却剂储存罐42a、42b相连。在其他实施方式中，只有第一连接口38a、38b与冷却剂储存罐42a、42b相连通，用以将液态冷却剂引入各自的冷却剂通道，而第二连接口40a、40b可以与任何一个其他的容器连通，以将气化产生的气体传送到该容器中，或者接入冷凝器以将气化产生的气体再冷凝为液态冷却剂以循环利用，又或者将气化产生的气体直接排出制冷系统28外。

参照图3所示，依据本发明的另一项实施方式的制冷系统44包括一个贯穿第一、第二导热件30a、30b的冷却剂通道46，该冷却剂通道46包括至少连接口38、40与冷却剂储存罐42相连通。因此，液态冷却剂在冷却剂通道46中流动，为正、负极电流引线16、18的冷端24提供冷却。在所示实施方式中，冷却剂通道46包括至少一个位于第一、第二导热件30a、30b之间的电绝缘管段48，以在第一、第二导热件30a、30b之间的形成电绝缘。在某些实施方式中，电绝缘管段48由陶瓷材料制成。这种电绝缘管段48的一个实施例包括陶瓷管道及陶瓷管道两端的不锈钢镀层，不锈钢镀层与邻接的连接管36焊接。在所示实施方式中，冷却剂通道46包括至少一个位于冷却剂储存罐42和每个导热件30a、30b之间的电绝缘管段48，以实现冷却剂储存罐42与电流引线16、18之间的电绝缘。

参照图4所示，依据本发明又一个实施方式的制冷系统50包括贯穿第一、第二导热件30a、30b的冷却剂通道52、以及一个与冷却剂通道52相连通的冷却剂制冷源54。在所示实施方式中，冷却剂制冷源54包括一个冷凝器，该冷凝器与制冷机56热耦合，并被该制冷机56冷却到较低的温度。因此，冷却剂制冷源54提供了一个能让气化产生的气体再次冷凝到液态冷却剂的冷表面55。在所示实施方式中，冷却剂制冷源54仅经由一条管道58与冷却剂通道52相连通。而在其他实施方式中，冷却剂制冷源54可能经由两条甚至更多的管道与冷却剂通道52相连通。

在制冷系统的启动运行阶段，一定量的冷却剂从一个注入口(图上未显示)被注入冷却剂通道52，当足量的冷却剂进入冷却剂通道52后，这个注入口将被封闭。在一个实施方式中，进入冷却剂通道52的是液态冷却剂。而在其他实施方式中，进入冷却剂通道52的是气体，并在冷却剂制冷源54不断冷凝成液体冷却剂。在制冷系统50正常运行期间，液态冷却剂在冷却剂通道52中流动。在某些实施方式中，当制冷系统50正常运作时，第一、第二导热件30a、30b的贯穿孔34中充满液态冷却剂，以将正、负极电流引线16、18的冷端24维持在较低的温度。冷却剂通道32中的部分液态冷却剂气化，以吸收电流引线16、18的冷端24的热量。气化产生的气体流向冷却剂制冷源54，被冷凝成液态冷却剂后回流至冷却剂通道52。因此，制冷系统中冷却剂在气态和液态之间的自动转换，而持续不断的带走电流引线冷端的热量，以将其维持在低温。

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (13)

1.一种超导磁体引线系统，其包括：

一电流引线；

至少一个与电流引线的一端热耦合的导热件；

至少一个贯穿导热件的冷却剂通路，该冷却剂通道包含至少一个连接口；以及

一个通过冷却剂通道的连接口与冷却剂通路相连通的冷却剂制冷源。

2.如权利要求1所述的超导磁体引线系统，其中所述导热件是电流引线的一部分。

3.如权利要求1所述的超导磁体引线系统，其中该系统包括正极电流引线和负极电流引线，以及第一、第二导热件，该第一、第二导热件分别与所述正极、负极电流引线热耦合。

4.如权利要求3所述的超导磁体引线系统，其中该系统进一步包括位于正极、负极电流引线之间的电绝缘体。

5.如权利要求3所述的超导磁体引线系统，其中该系统包括分别贯穿第一、第二导热件的第一冷却剂通道和第二冷却剂通道。

6.如权利要求3所述的超导磁体引线系统，其中该系统包括一贯穿第一、第二导热件的冷却剂通道。

7.如权利要求6所述的超导磁体引线系统，其中所述冷却剂通道包括至少一段位于第一、第二导热件之间的电绝缘管路。

8.如权利要求7所述的超导磁体引线系统，其中电绝缘管段包括陶瓷管道及位于陶瓷管道两端的不锈钢镀层。

9.如权利要求1-8中任何一项所述的超导磁体引线系统，其中冷却剂通道包括至少一个位于导热件和冷却剂制冷源之间的电绝缘管段。

10.如权利要求1-8中任何一项所述的超导磁体引线系统，其中所述冷却剂制冷源是一个液态冷却剂储存罐。

11.如权利要求1-8中任何一项所述的超导磁体引线系统，其中所述冷却剂制冷源是一个有一个冷的表面与冷却剂通道连通的冷凝器。

12.一种超导磁体系统，其包括：

至少一个超导线圈，该超导线圈包括正极和负极；

正极电流引线和负极电流引线，该正极、负极电流引线的一端分别与相应的超导磁体正、负极电连接；以及

一个低温制冷系统，其包括：

至少一个与正极、负极电流引线所述一端相热耦合且机械连接的导热件；以及

至少一贯穿导所述热件中的冷却剂通路。

13.一种冷却方法，其包括：

将一导热件与一电流引线的一端机械连接，并使其热耦合；

将至少一个连接管与导热件上的通孔相连通，从而在连接管与所述导热件上的通孔内形成一条冷却剂通路；以及

通过连接管使一液体冷却剂流入导热件上的通孔。

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