CN102142312A - 用于高温超导大电流引线的叠片式高效气冷阻性换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，包括有由多个薄铜板叠之间添加薄铜片垫条隔置并通过铆钉固定成一体构成换热器芯体，薄铜板上开有规则分布的通孔和凸点；换热器芯体两端接头段上、下方分别设有厚铜板保护，叠置的薄铜板之间的间隙构成均匀分布的流道；换热器芯体与两端的电流引线室温段与高温超导段铜件电子束焊接，换热器芯体的流道与其两端的流道相通；换热器芯体非接头段外用不锈钢盒封装，真空气密。本发明提供的叠片式换热器设计不仅性能高、换热面积大，且与冷却气流换热均匀，换热效率高于99％，接头电阻远远低于铜线电缆换热器。

Description

用于高温超导大电流引线的叠片式高效气冷阻性换热器

技术领域

本发明涉及大型热核聚变装置或其他大型电磁装置的超导磁体的供电馈线领域，具体涉及一种用于高温超导大电流引线的叠片式高效气冷阻性换热器。

背景技术

热核聚变将将为人类提供取之不尽的清洁能源，国际热核聚变试验堆(ITER)计划将在未来十年内建成。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，这已经成为超导磁体供电馈线设计者的共识。但从室温至高温超导件的温端仍需应用铜电流引线，对于大电流引线通常采用气流冷却来提高致冷效率，然而冷却气流与阻性换热器(有电阻段内电流的发热和来自高温侧的传导热与气流换热)本体之间的热交换效率则是能否节省冷却气流流量的关键。

2002和03年日、德先后为ITER磁体研发成功60kA和70kA HTS电流引线，此后，欧洲核研究中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)配备了1100多支HTS电流引线。日原子能所采用数十万股细铜线组成的阻性换热器与HTS组件连接，这种细铜线换热器的优点是换热面积特大，但难以保障与气流之间均匀地换热，有时换热器因此而烧毁。此外两端的接头电阻会比较大，所以仅适合1千安以下的电流引线。

德国卡尔斯鲁厄技术物理所采用在中心铜棒上真空钎焊数百片开有小孔的铜圆盘，为增加换热面积，圆盘厚度1毫米，这样距芯棒较远的部分对传热贡献很差。70kA电流引线试验结果表明，其效率只有87％。又因为真空钎焊很贵，近年在设计德国超导仿星器W7-X电流引线时，他们转而采用曲折流翅片(zigzag-flow-fin)换热器。最近低温试验结果表明，其效率仍低于90％。LHC对撞机的13千安和6千安电流引线的换热器都采用曲折流翅片换热器，受压差的限制，翅片间距大，效率低于80％。曲折流换热器的致命缺点是换热面积太小，这必然导致换热器与气流之间的温差加大，并要求流量增加。

低效换热器的另一个缺点是从换热器排出的氦流温度较低，过剩的冷量还造成电流引线室温端结霜或结露，降低电绝缘水平。为防止此现象，不得不用电加热器提高温度，耗费额外电功率。

发明内容

基于换热器基础理论，足够的换热面积是获得高效率的最基本条件。叠片式换热器的面积虽小于细铜线，但非常容易达到99％效率；而且电流分布比细铜线均匀，接头处理也容易得多。本发明的目的是提供一种叠片式换热器，在同样的冷却气体入口温度条件下，在保征高温超导组件温端的运行温度要求下，降低冷却换热器的气流流量，节省致冷成本。

本发明的技术方案如下：

一种用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，其特征在于包括有由多个薄铜板端部之间添加薄铜片垫隔叠置并通过铆钉固定成一体构成换热器芯体，薄铜板上开有规则分布的通孔和凸点；换热器芯体两端接头段上、下方分别设有厚铜板保护，叠置的薄铜板之间的间隙构成均匀分布的流道；所述的换热器芯体与两端的电流引线室温段与高温超导段铜件电子束焊接，所述换热器芯体的流道与其两端的流道相通；所述的换热器芯体非接头段外用不锈钢盒封装，真空气密。

所述的用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，其特征在于：所述的薄铜板采用高导无氧铜，所述的薄铜板芯部开有小孔和凸点，其两端铜板之间视需要在中部也可添加薄铜片垫隔。

本发明的原理如下：

电流引线阻性换热器的冷却因子，即(hP_w)，是换热系数(指冷却气体与换热器固体表面)h与湿周界P_w的乘积。为说明它对换热器效率的影响，下面以10千安换热器为例。换热器采用50开温度氦气供冷，在10kA电流时要求换热器冷端温度为65开，温端温度300开。据一维微分方程的数值解，可获得不同(hP_w)所需的最小氦流。并定文很大(hP_w)时的流量(此值为0.06克/秒/千安)与各流量之比为换热器效率，图1是所得的流量、效率对(hP_w)值曲线。由此图可见，当(hP_w)＞1000瓦/开-米时其效率可＞99％。再增大(hP_w)值，对效率的贡献不会大于1％。但当(hP_w)＜200瓦/开-米时流量增加很快，效率下降很陡。

提高效率应该先从增加(hP_w)值入手。叠片式换热器运行时冷却气流的雷诺数在数十或数百，大大低于2300；因此属层流，换热系数h＝3.8*k/de。k是氦流的热传导系数，与温度相关，如图2所示；de是换热器流道的等值流动直径，可表达为de＝4A/U，式中A是流道截面积，U是流道周界。此式表明，当流道是圆形或方形，则de值最大；若流道是狭缝时，U值很大，de大大减小；所以，采用间隙狭小的叠片换热器可获得de＜0.5毫米。而曲折流换热器的流道采用车床加工时，深度大于20毫米的缝宽2.5毫米以下是非常难加工的；因此de往往在4.5毫米水平，这样h值会小一个数量级。

从湿周界比较，叠片式换热器可达4.1米；但曲折流换热器只有1.14米，二者相差3倍多。这样叠片式换热器的(hP_w)值可达1200(冷端)至4000瓦/开-米(温端)；而曲折流换热器的(hP_w)值在＜200瓦/开-米水平。二者差异7至20倍。

叠片之间的间隙可由铜片上规则分布的凸点或凸纹产生，凸起高度控制在0.3毫米，当不锈钢上下半盒压紧后维持间隙～0.25毫米。为使各间隙中氦流分布均匀，沿长度方向再开些小孔，孔径～2毫米。采用上述措施后，载电流的薄铜板与冷却的气流之间换热比细铜丝绞缆的换热器好得多。不锈钢盒与叠片之间可保留0.05毫米装配间隙，不宜更大，否则会使少量气流的冷量未被完全利用。所以铜片应该宽度一致，宜采用模具-冲床加工。上下不锈钢半盒之间的焊缝必须气密，防止气流外泄。

叠片式换热器的两端是电流和气流进出段，重点是确保接头电阻足够小。在端部段采用0.25毫米铜片填实，上下两面加厚度5毫米铜板，并用6个铆钉(10千安换热器)或12个铆钉(68千安换热器)在油压机下压实、铆紧，使端部可铣削加工至装配精度的尺寸。叠片的侧面与铜件采用电子束焊接，原则上，此焊缝长度应超过叠片宽度的一半。为进一步降低接头电阻，还可对端部上下两面与铜套件的缝隙充填焊锡，可在电子束焊的工艺槽打直径2毫米小孔作为焊料进缝隙的入口。也可以在电子束焊完成后，采用油压机将上下面压紧的办法。它比充填焊锡简单些。完成上述工序后，两端必须用不锈钢套管封焊，防止气流经外部短路。

影响阻性换热器效率除了换热因子(hP_w)和接头电阻外，铜材的纯度影响也不可忽略。室温下电阻率对4.2开温度下的电阻率比值称为RRR值，此值越大，表征残留电阻率越小，则铜材的纯度越高。图6是RRR值对10kA阻性换热器效率与氦流量的影响。如果采用RRR＝10的铜材(比如常见的T2牌号铜)，则效率只能达到92.6％。然而采用RRR＝90铜材，换热器十分接近理想效率100％，但价格很高。因此，采用RRR值大于50铜材，保障换热器效率高于99％是相对既经济、又满足高效率要求的选择。

本发明的实施效果：

本发明已成功地应用于电流以脉冲模式变化、最大幅值为10kA高温超导电流引线。该电流引线的优化运行电流按8kA设计，在8kA稳态电流下测定其流量为0.488克/秒，它与电流的比流量为0.061克/秒/千安。效率100％的理论比流量为0.06克/秒/千安，因此，其效率高达98.4％。该换热器铜板厚0.4mm，铜板牌号TU1，制作前RRR值为42，但在制作中由于加工硬化，退化为34。所以，获得98.4％效率与理论预期是相吻合的。

本发明提供的叠片式换热器设计不仅性能高、换热面积大，且与冷却气流换热均匀，换热效率高于99％，接头电阻远远低于铜线电缆换热器。

附图说明

图1为本发明10kA换热器的结构示意图，其中(a)本发明结构的截面图，(b)为本发明铜薄板的开孔与凸点阵图。

图2为本发明10kA阻性换热器的最小冷却氦流量、换热效率与换热因子(hP_w)函数关系图。

图3为本发明压力3巴氦气的热导率与温度之间关系图。

图4为本发明68千安换热器横截面剖视图。

图5为本发明换热器端部与铜套件的装配和电子束焊接示意图。

图6为本发明铜片材料的RRR值对10千安叠片式换热器效率和最小氦流量的影响

具体实施方式

参见图1，一种用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，包括有由多个薄铜板之间添加薄铜片垫隔叠置并通过铆钉固定成一体构成换热器芯体1，薄铜板上开有规则分布的通孔4和凸点5；换热器芯体1上、下方分别设有厚铜板3保护，叠置的薄铜板之间的间隙构成均匀分布的流道；换热器芯体1与两端的电流引线室温段与高温超导段铜件电子束焊接，换热器芯体1的流道与其两端的流道相通；换热器芯体1外用不锈钢盒2封装，真空气密。

薄铜板采用高导无氧铜，薄铜板使中部也添加了薄铜片垫隔。

以下结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明10kA换热器横截面剖视图(a)和换热器薄铜板(b)，由于要求的导电截面积仅840毫米²，故取矩形。换热器铜片1的厚度0.4毫米，宽度44毫米，其上规则分布有0.25-0.3毫米高度的凸起点阵；不锈钢盒2由上下半盒组成；销子3在组装时定位用。

图2是10kA阻性换热器的最小冷却氦流量、换热效率与换热因子(hP_w)函数关系图。

图3是压力3巴氦气的热导率与温度之间关系，来自Hepak软件。热导率随温度升高而增长，在室温的热导率是50开时的3倍。

图4为本发明68千安换热器横截面剖视图，呈十字形。如果仍然取矩形，鉴于端部电子束焊深的限制，将导致矩形宽度大增；取十字形后，焊缝数目增加一倍，但焊深大大减小。而且十字形与两端圆形铜件匹配得合理，与外绝缘圆筒也相对紧凑。在换热器端部有叠片1、中心衬条9和两边衬条7，上下中压板2和边压板3，在油压机压紧后用铆钉8和6固定。上下不锈钢盒4和5只在换热器主段周围，不覆盖两端部，因此用点划线表示。图中叠片的两侧(标记①-④)将与铜套件纵向电子束焊，与等面积的矩形相比，焊缝深度减小很多，从而降低了对电子束焊机的功率要求。

图5表示换热器端部1与铜套件2的装配关系和电子束焊缝的工艺槽A，焊接时电子束将穿透工艺槽底厚度，把换热器端部侧面B与铜套件融接在一起。

图6是铜片材料的RRR值对10千安叠片式换热器效率和最小氦流量的影响。在数值模拟中换热器的截面积＝1000毫米²，其温端温度＝300开，冷端温度＝65开，氦流入口温度＝50开。

Claims (2)

1.一种用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，其特征在于包括有由多个薄铜板叠端部之间添加薄铜片垫条隔置，并通过铆钉固定成一体构成换热器芯体，薄铜板上开有规则分布的通孔和凸点；换热器芯体两端接头段上、下方分别设有厚铜板保护；叠置的薄铜板之间的间隙构成均匀分布的流道；所述的换热器芯体与两端的电流引线室温段与高温超导段铜件采用电子束焊接，所述换热器芯体的流道与其两端的流道相通；所述的换热器芯体非两端接头段外用不锈钢盒封装，真空气密。

2.根据权利要求1所述的用于大型超导磁体的电流引线室温段与高温超导段之间的叠片式换热器，其特征在于：所述的薄铜板采用高导无氧铜，所述的换热器两端薄铜板之间视需要在中部也可添加薄铜片垫隔条。

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