CN102298976A - 超导馈线系统中的真空隔断机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导馈线系统中的真空隔断机构，包括有实现真空环境的外围U型颈管和中心隔板组成的真空隔断主体，各种穿过中心隔板的超导母线和低温管路端口，波纹管和其保护装置以及和冷屏连接的热截止。真空隔断主体实现将其两侧真空的隔断，超导母线、低温管路端口结合波纹管及其保护装置实现真空密封后，并能使超导母线和低温管路能够在设计范围内自由轴向伸缩，满足系统工作中的位移要求。波纹管保护套保护波纹管在电磁力产生的扭曲和弯曲下正常工作。在绝热性能方面，U型颈管延长了室温到低温的导热路径，热截止优化了真空隔断上的温度梯度，将隔断中心位置的4.2K低温部件的热负荷尽量地降低。

Description

超导馈线系统中的真空隔断机构
 
技术领域
本发明属于一种超导馈线系统中的真空隔断机构，具体为给超导磁体输送电源和低温冷却的超导馈线系统中的真空隔断机构，实现超导磁体所属的真空环境与超导馈线系统间的隔绝。
 
背景技术
超导磁体，尤其是大型超导磁体在可控磁约束热核聚变、粒子加速器、强磁场等科学研究中有着重要的应用，也是必备的条件，超导馈线系统为超导磁体输入电流和低温冷却剂，确保超导磁体正常工作。在超导馈线系统中，超导母线是电流通道，同时众多低温管道为超导磁体供给4.2K的超临界氦，确保超导磁体处在超导态。根据真空等级的高低，超导馈线系统的大部分真空要与超导磁体系统所处的真空进行隔断，需要设计相应的真空隔断机构。此真空隔断机构要考虑多方面因素，在一端真空破坏下要有足够的机械强度。超导母线和低温管路都要穿过此真空隔断上的隔板，但又不能是刚性连接，因为在超导磁体冷却和运行时会产生收缩和位移，所以得采用柔性连接，另外超导母线在穿过此隔断的时候要做好与真空隔板之间的绝缘，同时超导母线是成对的，满足电流的一进一回，会处在自身产生的磁场和超导磁体产生的外场下，受电磁力作用，产生扭曲和相互间的排斥力，需要额外的保护机构来抵抗产生的力，不至于破坏柔性连接。超导母线和低温管路都处在内是4.2K～5K的低温状态，真空隔断的设计要尽量减少来自室温端的热负荷，需要特殊的结构。综合上述各种因素的话，使得该类机构的设计困难较大。
 
发明内容
本发明的目的是提出了一种超导馈线系统中的真空隔断机构，能够在满足本体真空隔板的机械强度的情况下，实现超导母线和低温管路在一定范围内的自由伸缩，并有足够的强度来抵御电磁力对超导母线的影响，同时满足对低温区域很小的热负荷。
本发明采用的技术方案如下：
超导馈线系统中的真空隔断机构，包括真空隔断主体、超导母线、低温管路、波纹管，中心隔板上设有诊断线通道，真空隔断主体由外围U型颈管和中心隔板组成，中心隔板的边缘处设有弧形的热截止，中心隔板上固定有波纹管保护套基座，波纹管保护套基座的侧断面上设有中间垫板，波纹管保护套基座上固定分布有多个波纹管保护套，波纹管管保护套内设有所述波纹管，波纹管内设有所述的低温管路，低温管路内设有超导母线。
    所述的波纹管保护套上开有竖向的导向槽，波纹管的侧壁上固定设有与导向槽配合的防扭挡块。
    所述的中心隔板上设有固定螺柱，固定螺柱与波纹管保护套基座固定联接。
本发明实现将其两侧真空的隔断，超导母线、低温管路端口结合波纹管及其保护装置实现真空密封后，并能使超导母线和低温管路能够在设计范围内自由轴向伸缩，满足系统工作中的位移要求。波纹管保护套保护波纹管在电磁力产生的扭曲和弯曲下正常工作。在绝热性能方面，U型颈管延长了室温到低温的导热路径，通过热截止将与真空隔断连接的装置的80K冷屏和中心隔板进行连接，尽量使隔板达到90K左右的温度，优化了真空隔断上的温度梯度，有益于降低隔断中心位置的4.2K低温部件的热负荷，U型颈管用来延长导热路径，真空隔板上安装波纹管，超导母线和低温管路从中穿过，并在一端进行真空密封。在满足超导母线和低温管路一定范围的自由轴向移动的情况下，进一步延长了室温端到低温区的导热路径。采用波纹管保护套管，保护波纹管不在电磁力产生的扭矩和排斥力下破坏波纹管本体及其和超导母线、低温管路之间的连接。本发明设计和额外的80K冷屏的连接机构，确保真空隔断的良好的温度梯度，减少对4.2～5K低温部件的热负荷。
本发明实现真空隔断的主体机构由主要由外围U型颈管和中心隔板组成，U型颈管的未端与连接的真空设备焊接，超导母线、低温管路和诊断线从中心隔板上穿过。诊断线需要利用特制的插座或灌注环氧胶的方式实现端口的密封，隔绝两侧的真空。超导母线和低温管路上通过焊接或固化的衬环与波纹管末端焊接，实现真空隔断两侧真空的隔绝。
本发明的中心隔板上提供给超导母线和低温管路穿过的端口上焊接一段波纹管，使超导母线和低温管路能够在设计范围内自由伸缩，满足系统工作中的位移要求。同时增加波纹管保护套，确保波纹管能够轴向自由移动的情况下，不受电磁力、部件位移产生的扭曲和弯曲下遭破坏；绝热性能方面，U型颈管和热截止相结合，使中心隔板达到90K左右的温度，建立从室温到90K的良好温度梯度。利用G10中间垫板，再次减小从90K温区向4.2K部件的热导，将隔断中心位置的4.2K低温部件的热负荷控制在较低的。
本发明的原型件已经被试制，机械、真空和热性能良好，满足预期的设计要求。本发明能够在满足本体真空隔板的机械强度的情况下，实现超导母线和低温管路在一定范围内的自由伸缩，并有足够的强度来抵御电磁力对超导母线的影响，同时满足对低温区域很小的热负荷。
 
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的真空隔断主体结构示意图。
图3为波纹管保护结构示意图。
其中，图中标号：1－U型颈管，2－中心隔板，3－诊断线通道，4－热截止，5－波纹管焊接端口，6－波纹管保护套基座固定螺柱，7－超导母线，8－低温管路，9－防扭挡块，10－波纹管，11－波纹管保护套， 12－波纹管保护套基座，13－中间垫板。
 
具体实施方式
参见附图，超导馈线系统中的真空隔断机构，包括真空隔断主体、超导母线7、低温管路8、波纹管10，中心隔板2上设有诊断线通道3，真空隔断主体由外围U型颈管1和中心隔板2组成，中心隔板的边缘处设有弧形的热截止4，中心隔板2上固定有波纹管保护套基座12，波纹管保护套基座12的侧断面上设有中间垫板2，波纹管保护套基座上固定分布有多个波纹管保护套11，波纹管管保护套内设有波纹管10，波纹管内设有低温管路8，低温管路内设有超导母线7；波纹管保护套上开有竖向的导向槽，波纹管的侧壁上固定设有与导向槽配合的防扭挡块9；中心隔板2上设有固定螺柱，固定螺柱与波纹管保护套基座12固定联接。
真空隔断主体主要由外围U型颈管1和中心隔板2组成，两者先组焊到一起，U型颈管的未端与连接的真空设备焊接上，从而实现中心隔板两侧真空的隔断。中心隔板上设计有诊断线通道3，在实际工作中，真空隔断相连的设备中的诊断线通过这些端口进入真空隔断的另一侧，在诊断线穿过这些端口后，根据使用需要利用特制的插座或灌注环氧胶的方式进行此端口的密封，隔绝两侧的真空。超导母线、低温管路也从隔板的中心位置上的端口中穿过，考虑到馈线系统的实际工作情况，超导母线和低温管路在降温中会收缩，实际运行中产生移动，所以针对超导母线和低温管路的端口要焊接一段波纹管10，使超导母线和低温管路能够在设计范围内自由轴向伸缩。为了便于以后对波纹管的维护或替换，在中心隔板上先焊接一段波纹管焊接端口5，然后将波纹管与其焊接，便于以后更换时的切割。超导母线和低温管路穿过这些波纹管后，通过事先在超导母线和低温管路上焊接或固化的衬环与波纹管末端焊接，实现两侧真空的隔绝。超导母线在正常工作下会受到外场和自场产生的电磁力的作用，低温管路也会因降温，位移等产生不同方向的力，波纹管保护套11保护波纹管在电磁力产生的扭曲和弯曲下正常工作。在保护套上开有导向槽，波纹管的防扭挡块9只允许波纹管沿着导向槽的轴向位移，阻止波纹管的弯曲和扭转，保护波纹管不受破坏。波纹管保护套焊接在基座12上，基座通过固定螺柱6被紧固在中心隔板上。   
在绝热性能方面，U型颈管延长了室温到低温的导热路径，通过热截止4将与真空隔断连接装置的80K冷屏和中心隔板进行连接，尽量使隔板达到90K左右的温度，保证真空隔断上的良好的温度梯度。同时，在中心隔板与波纹管保护套基座之间增加了一道低导热率的G10中间垫板13，减小从90K温区向4.2K部件的热导，这些措施都将有益于降低隔断中心位置的4.2K低温部件的热负荷。

Claims (3)

1.超导馈线系统中的真空隔断机构，包括真空隔断主体、超导母线、低温管路、波纹管，中心隔板上设有诊断线通道，其特征在于：真空隔断主体由外围U型颈管和中心隔板组成，中心隔板的边缘处设有弧形的热截止，中心隔板上固定有波纹管保护套基座，波纹管保护套基座的侧断面上设有中间垫板，波纹管保护套基座上固定分布有多个波纹管保护套，波纹管管保护套内设有所述波纹管，波纹管内设有所述的低温管路或超导母线,超导母线和波纹管之间的连接结构中包含径向绝缘子。
2.根据权利要求1所述的超导馈线系统中的真空隔断机构，其特征在于：所述的波纹管保护套上开有竖向的导向槽，波纹管的侧壁上固定设有与导向槽配合的防扭挡块。
3.根据权利要求1所述的超导馈线系统中的真空隔断机构，其特征在于：所述的中心隔板上设有固定螺柱，固定螺柱与波纹管保护套基座固定联接。
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