CN103456455B - 一种超导磁体电流引线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导磁体电流引线，包括磁体杜瓦、设置在磁体杜瓦内的氦槽和设置在氦槽内的超导线圈，磁体杜瓦和氦槽之间形成真空层，从超导线圈引出的线圈正负极与氦槽的过渡件高压连接端子连接，高压连接端子与电流引线软电缆连接，电流引线软电缆通过铜块与高温超导电流引线连接，高温超导电流引线通过过渡无氧铜块与高温端高纯铜电缆连接，高温端高纯铜电缆连接在室温端铜端子的真空侧，室温端铜端子与磁体杜瓦之间绝缘密封。本发明通过将高压连接端子作为氦槽的过渡件，主要起到向超导绕组连通电流的作用，还能使氦槽与电流引线绝缘，结构简单，装配方便，密封性能优良，保证氦槽的气密性，有利于实现超导磁体零挥发。
Description
技术领域
本发明属于电流引线结构技术领域，具体涉及一种超导磁体电流引线。
背景技术
电流引线的作用就是将电流从室温端引入低温端超导绕组中，起到桥梁作用，由于室温端和低温端温差很大，对于液氦冷却的磁体，其温度从室温300K左右传到低温4.2K左右，使用二元超导电流引线即铜-高温超导二元电流引线，铜引线工作在室温和制冷机一级冷头之间，高温超导电流引线工作在一级冷头和二级冷头之间，这样，铜引线的漏热大部分由制冷机一级冷头带走，高温超导电流引线处于超导态，而且其由导热较差的材料构成，所以高温超导电流引线既消除了焦耳热也减少了传导热。
对于超导磁体，电流引线在穿过氦槽时，需要同时满足电绝缘、耐低温、气密封、抗高真空压力等技术要求，高电压绝缘、气体密封、耐低温等问题是电流引线作为氦槽过渡件的难点，在常温下，采用聚四氟乙烯、尼龙等作为电流引线的绝缘密封材料，绝缘密封性能够保证，但是上述材料运行在低温环境中时，其收缩率远大于铜和不锈钢等材料，从而使电流引线在穿过氦槽上端板需要绝缘和密封的部位不能有效密封，导致真空层不能正常工作，漏热过大。另外，在以往的电流引线绝缘密封结构专利中，涉及到环氧玻璃钢或聚四氟乙烯以及金属例如铟等，不过由于磁体零挥发长时间运行容易导致上述材料变形，在升降温过程中导致密封不可靠。
发明内容
本发明的目的是提供一种超导磁体电流引线，解决了现有电流引线穿过氦槽上端板需要绝缘和密封的部位不能有效密封，导致真空层不能正常工作，漏热过大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种超导磁体电流引线，包括磁体杜瓦、设置在磁体杜瓦内的氦槽和设置在氦槽内的超导线圈，磁体杜瓦和氦槽之间形成真空层，从超导线圈引出的线圈正负极与氦槽的过渡件高压连接端子连接，高压连接端子与电流引线软电缆连接，电流引线软电缆通过铜块与高温超导电流引线连接，高温超导电流引线通过过渡无氧铜块与高温端高纯铜电缆连接，高温端高纯铜电缆连接在室温端铜端子的真空侧，室温端铜端子与磁体杜瓦之间绝缘密封。
本发明的特点还在于，
高压连接端子由电流端、陶瓷绝缘件和焊接法兰组成，电流端为无氧铜管；焊接法兰为无磁不锈钢材料，焊接在氦槽预留的出线口上；陶瓷绝缘件设置在电流端和焊接法兰之间；高压连接端子为一个双极性端子组成的整体或两个单独的单极性端子组成。
从超导线圈引出的线圈正负极电缆中的超导线从高压连接端子的电流端中引出氦槽，穿过电流端的超导线锡焊在电流端铜管内，引出电流端的超导线与高纯铜电缆扭绞后形成电流引线软电缆，锡焊在高压连接端子真空侧的电流端。
过渡无氧铜块通过铜螺栓与制冷机底座连接，过渡无氧铜块与铜螺栓之间设有绝缘垫，过渡无氧铜块与制冷机底座之间设有绝缘薄膜。
绝缘垫为陶瓷材料或玻璃纤维增强塑料；绝缘薄膜为聚酰亚胺、聚全氟乙丙稀或聚醚醚酮薄膜。
室温端铜端子与磁体杜瓦通过聚四氟乙烯板或改性尼龙6板绝缘。
本发明的有益效果是，
1.本发明超导磁体电流引线，通过将高压连接端子作为氦槽的过渡件，主要起到向超导绕组连通电流的作用，还能使氦槽与电流引线绝缘，该绝缘密封结构简单，装配方便，密封性能优良，能够同时满足电流引线绝缘、密封、耐低温、耐高压等技术问题，保证氦槽的气密性，实现超导磁体零挥发。
2.本发明超导磁体电流引线，与传统铜电流引线相比，该电流引线采用二元超导电流引线，其整体放置在磁体杜瓦和氦槽之间的真空层中，一经安装形状固定，安全性能提高。
附图说明
图1是本发明超导磁体电流引线结构示意图；
图2是本发明超导磁体电流引线中高压连接端子的结构示意图；
图3是过渡无氧铜块与制冷机底座的绝缘示意图。
图中，1.磁体杜瓦，2.氦槽，3.超导线圈，4.线圈正负极，5.高压连接端子，6.电流引线软电缆，7.高温超导电流引线，8.过渡无氧铜块，9.高温端高纯铜电缆，10.制冷机底座，11.真空层，12.电流端，13.陶瓷绝缘件，14.焊接法兰，15.绝缘薄膜，16.绝缘垫。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种超导磁体电流引线，参见附图1，包括磁体杜瓦1、设置在磁体杜瓦1内的氦槽2和设置在氦槽2内的超导线圈3，磁体杜瓦1和氦槽2之间形成真空层11，从超导线圈3引出的线圈正负极4与氦槽2的过渡件高压连接端子5连接，高压连接端子5与电流引线软电缆6连接，电流引线软电缆6通过铜块与高温超导电流引线7连接，高温超导电流引线7通过过渡无氧铜块8与高温端高纯铜电缆9连接，高温端高纯铜电缆9连接在室温端铜端子的真空侧，室温端铜端子与磁体杜瓦1通过聚四氟乙烯板或改性尼龙6板绝缘密封，保证了电流引线与磁体杜瓦1之间的绝缘和密封；
如图2所示，高压连接端子5由电流端12、陶瓷绝缘件13和焊接法兰14组成，电流端12为无氧铜管，其在磁体运行中，相当于并联在电流引线中的一段电阻，起到失超保护作用，其长度和截面计算按照磁体失超电流计算，同时考虑电流引线机械强度；焊接法兰14为无磁不锈钢材料，焊接在氦槽2预留的出线口上，保证了电流引线与氦槽2之间的绝缘，陶瓷绝缘件13设置在电流端12和焊接法兰14之间，焊接法兰14和电流端13空隙通过陶瓷和不锈钢件的焊接保证高气密性；高压连接端子5为一个双极性端子组成的整体或两个单独的单极性端子组成；
从超导线圈3引出的线圈正负极4电缆中的超导线从高压连接端子5的电流端12中引出氦槽2，穿过电流端12的超导线锡焊在电流端12铜管内，焊料起到密封作用，引出电流端12的超导线与高纯铜电缆扭绞后形成电流引线软电缆6，锡焊在高压连接端子5真空侧的电流端12，电流引线软电缆6起到缓冲和减震的作用。
由Bi-2223/AgAu材料制成的高温超导电流引线7连接在电流引线软电缆6的铜接头上，所述高温超导电流引线7具有低的热导率，其中，Bi-2223占体积比的45％，金比重占6％，能够稳定工作在77K以及3000高斯以下，避免焦耳热和漏热。高温超导电流引线7外层由导热较差的GFRP材料构成，起到加强和保护作用。
如图3所示，过渡无氧铜块8通过铜螺栓与制冷机底座10连接，过渡无氧铜块8与铜螺栓之间设有绝缘垫16，绝缘垫16为陶瓷材料或玻璃纤维增强塑料，过渡无氧铜块8与制冷机底座10之间设有绝缘薄膜15，绝缘薄膜15为聚酰亚胺、聚全氟乙丙稀或聚醚醚酮薄膜。
聚酰亚胺(Kapton)薄膜热导率约为0.16W/mK，厚度不同其介电强度亦不同，例如厚度为25μm的聚酰亚胺(Kapton)薄膜其介电强度约为300KV/mm；聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜热导率约为0.195W/mK，厚度为25μm的聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜其介电强度约为260KV/mm；厚度为25μm的聚醚醚酮(PEEK)薄膜其介电强度约为270KV/mm；三种薄膜都具有优良的弯曲疲劳性能，广泛的耐化学性，低吸湿，高强度和韧性，稳定、优良的电绝缘性能。
本发明超导磁体电流引线，通过将高压连接端子5作为氦槽2的过渡件，主要起到向超导绕组连通电流的作用，还能使氦槽2与电流引线绝缘，该绝缘密封结构简单，装配方便，密封性能优良，能够同时满足电流引线绝缘、密封、耐低温、耐高压等技术问题，保证氦槽2的气密性，实现超导磁体零挥发。
本发明超导磁体电流引线，与传统铜电流引线相比，该电流引线采用二元超导电流引线，其整体放置在磁体杜瓦1和氦槽2形成的真空层11中，一经安装形状固定，安全性能提高；高温超导电流引线以下部分直接由超导线圈引出的超导线连接，没有其他转接，减少了焊接接头，保证了超导性能，从而减少了焦耳热。
本发明提供的超导磁体的电流引线结构，是一种制冷机冷却的电流引线，在保证电流引线与制冷机底座良好的电气绝缘下，引线与制冷机底座之间的热阻很小，本发明采用良好绝缘性能的聚酰亚胺(Kapton)薄膜、聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜、聚醚醚酮(PEEK)薄膜减少热阻，减小了高温超导电流引线上端的温度，进而提高了电流引线工作的可靠性。
实施例1
从超导线圈3引出的线圈正负极4连接在高压连接端子5的电流端12，线圈正负极4电缆中的超导线从高压连接端子5的电流端12中引出氦槽2，穿过电流端12的超导线锡焊在电流端12铜管内，焊料起到密封作用；高压连接端子5的焊接法兰14通过氩弧焊焊接在氦槽2预留的出口上，保证了氦槽2的高气密性；引出电流端12的超导线和高纯铜电缆扭绞后成为电流引线软电缆6，锡焊在高压连接端子5真空侧的电流端12；电流引线软电缆6另一侧焊接在一块铜块上，该铜块便于与高温超导电流引线7连接。电流引线软电缆6起到缓冲和减震的作用。
由Bi-2223/AgAu材料制成的高温超导电流引线7连接在电流引线软电缆6的铜接头上，所述高温超导电流引线7具有低的热导率，工作时处于超导态，避免焦耳热和漏热。而且，Bi-2223/AgAu高温超导电流引线7外层由导热较差的GFRP材料构成，起到加强和保护作用。
Bi-2223/AgAu高温超导电流引线7连接在过渡无氧铜块8上，过渡无氧铜块8中部有六个通孔，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8的通孔连接在制冷机底座10上，为了保证过渡无氧铜块8和制冷机底座10之间的绝缘，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8通孔时，放置一个绝缘垫16，绝缘垫16成凸台状，绝缘垫16放进通孔的一段外径比通孔直径略小，内径比铜螺栓直径略大，材料选用GFRP(玻璃纤维增强塑料)，另外，过渡无氧铜块8和制冷机底座10之间一方面为了更好的热接触，另一方面也要保持电绝缘，选用50-150微米厚的绝缘薄膜15，而且在绝缘薄膜15上裁剪六个孔便于穿过铜螺栓固定过渡无氧铜块8，绝缘薄膜15面向制冷机底座侧涂一层低温导热高真空脂，例如Apiezon N低温导热脂；绝缘薄膜15材料选用聚酰亚胺(Kapton)薄膜；25μm的聚酰亚胺(Kapton)薄膜，其热导率为0.16W/m K，介电强度为300KV/mm。
高温端高纯铜电缆9通过锡焊同时也连接在过渡无氧铜块8上，在连接高温超导电流引线7之前预先焊接。高温端高纯铜电缆9另一端连接在室温端铜端子的真空侧，通过铜螺栓连接，室温端铜端子和磁体杜瓦1通过聚四氟乙烯板绝缘，聚四氟乙烯板上留有和磁体杜瓦1接触的密封槽以及室温端铜端子的密封槽，选用氟橡胶O型圈作为密封件，保证了电流引线和杜瓦之间的绝缘和密封。
电流引线连接完成后，首先用万用表测试正负极电阻，显示为超导绕组的电阻，测试正负极和外壳的电阻，电阻值大于20兆欧。然后进行绝缘电阻的测试，使用兆欧表测量绝缘电阻，由于考虑到超导绕组的绝缘性能，绝缘耐压试验500伏，绝缘电阻大于499兆欧。满足超导磁体绝缘要求。
实施例2
参见实施例1，与实施例1不同的是，
Bi-2223/AgAu高温超导电流引线7连接在过渡无氧铜块8上，过渡无氧铜块8中部有六个通孔，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8的通孔连接在制冷机底座10上，为了保证过渡无氧铜块8和制冷机底座之10间的绝缘，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8通孔时，放置一个绝缘垫16，绝缘垫16成凸台状，绝缘垫16放进通孔的一段外径比通孔直径略小，内径比铜螺栓直径略大，材料选用陶瓷，另外，过渡无氧铜块8和制冷机底座10之间一方面为了更好的热接触，另一方面也要保持电绝缘，选用50-150微米厚的绝缘薄膜15，而且在绝缘薄膜15上裁剪六个孔便于穿过铜螺栓固定过渡无氧铜块8，绝缘薄膜15面向制冷机底座侧涂一层低温导热高真空脂，例如Apiezon N低温导热脂。绝缘薄膜15材料选用聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜；选用厚度为25μm的聚全氟乙丙烯(FEP)薄膜，热导率约为0.195W/m K，其介电强度约为260KV/mm。
高温端高纯铜电缆9通过锡焊同时也连接在过渡无氧铜块8上，在连接高温超导电流引线7之前预先焊接；高温端高纯铜电缆9另一端连接在室温端铜端子的真空侧，并通过铜螺栓连接，室温端铜端子和磁体杜瓦1通过改性尼龙6绝缘，改性尼龙6板上留有和磁体杜瓦接触的密封槽以及室温端铜端子的密封槽，选用氟橡胶O型圈作为密封件，保证了电流引线和杜瓦之间的绝缘和密封。
电流引线连接完成后，首先用万用表测试正负极电阻，显示为超导绕组的电阻，测试正负极和外壳的电阻，电阻值大于20兆欧。然后进行绝缘电阻的测试，使用兆欧表测量绝缘电阻，由于考虑到超导绕组的绝缘性能，绝缘耐压试验500伏，绝缘电阻大于517兆欧。完全满足磁体供电需要。
实施例3
参见实施例1，与实施例1不同的是，
Bi-2223/AgAu高温超导电流引线7连接在过渡无氧铜块8上，过渡无氧铜块8中部有六个通孔，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8的通孔连接在制冷机底座10上，为了保证过渡无氧铜块8和制冷机底座之10间的绝缘，铜螺栓穿过过渡无氧铜块8通孔时，放置一个绝缘垫16，绝缘垫16成凸台状，绝缘垫16放进通孔的一段外径比通孔直径略小，内径比铜螺栓直径略大，材料选用GFRP(玻璃纤维增强塑料)，另外，过渡无氧铜块8和制冷机底座10之间一方面为了更好的热接触，另一方面也要保持电绝缘，选用50-150微米厚的绝缘薄膜15，而且在绝缘薄膜15上裁剪六个孔便于穿过铜螺栓固定过渡无氧铜块8，绝缘薄膜15面向制冷机底座侧涂一层低温导热高真空脂，例如Apiezon N低温导热脂。绝缘薄膜15材料选用聚醚醚酮(PEEK)薄膜。其厚度为25μm，其介电强度约为270KV/mm，极限耐压能够达到6.75KV。
高温端高纯铜电缆9通过锡焊同时也连接在过渡无氧铜块8上，在连接高温超导电流引线7之前预先焊接；高温端高纯铜电缆9另一端连接在室温端铜端子的真空侧，并通过铜螺栓连接，室温端铜端子和磁体杜瓦1通过改性尼龙6绝缘，改性尼龙6板上留有和磁体外杜瓦1接触的密封槽以及室温端铜端子的密封槽，选用氟橡胶O型圈作为密封件，保证了电流引线和杜瓦之间的绝缘和密封。
电流引线连接完成后，首先用万用表测试正负极电阻，显示为超导绕组的电阻，测试正负极和外壳的电阻，电阻值大于20兆欧。然后进行绝缘电阻的测试，使用兆欧表测量绝缘电阻，由于考虑到超导绕组的绝缘性能，绝缘耐压试验500伏，绝缘电阻大于512兆欧。完全满足磁体供电需要。
Claims (5)
1.一种超导磁体电流引线，其特征在于，包括磁体杜瓦(1)、设置在磁体杜瓦(1)内的氦槽(2)和设置在氦槽(2)内的超导线圈(3)，所述磁体杜瓦(1)和氦槽(2)之间形成真空层(11)，从超导线圈(3)引出的线圈正负极(4)与所述氦槽(2)的过渡件高压连接端子(5)连接，所述高压连接端子(5)与电流引线软电缆(6)连接，所述电流引线软电缆(6)通过铜块与高温超导电流引线(7)连接，所述高温超导电流引线(7)通过过渡无氧铜块(8)与高温端高纯铜电缆(9)连接，所述高温端高纯铜电缆(9)连接在室温端铜端子的真空侧，所述室温端铜端子与所述磁体杜瓦(1)通过聚四氟乙烯板或改性尼龙6板绝缘。
2.根据权利要求1所述的超导磁体电流引线，其特征在于，所述高压连接端子(5)由电流端(12)、陶瓷绝缘件(13)和焊接法兰(14)组成，所述电流端(12)为无氧铜管；所述焊接法兰(14)为无磁不锈钢材料，焊接在所述氦槽(2)预留的出线口上；所述陶瓷绝缘件(13)设置在电流端(12)和焊接法兰(14)之间；所述高压连接端子(5)为一个双极性端子组成的整体或两个单独的单极性端子组成。
3.根据权利要求2所述的超导磁体电流引线，其特征在于，从超导线圈(3)引出的线圈正负极(4)电缆中的超导线从所述高压连接端子(5)的电流端(12)中引出氦槽(2)，穿过电流端(12)的超导线锡焊在电流端(12)铜管内，引出电流端(12)的超导线与高纯铜电缆扭绞后形成电流引线软电缆(6)，锡焊在高压连接端子(5)真空侧的电流端(12)。
4.根据权利要求1所述的超导磁体电流引线，其特征在于，所述过渡无氧铜块(8)通过铜螺栓与制冷机底座(10)连接，所述过渡无氧铜块(8)与铜螺栓之间设有绝缘垫(16)，过渡无氧铜块(8)与制冷机底座(10)之间设有绝缘薄膜(15)。
5.根据权利要求4所述的超导磁体电流引线，其特征在于，所述绝缘垫(16)为陶瓷材料或玻璃纤维增强塑料；所述绝缘薄膜(15)为聚酰亚胺、聚全氟乙丙稀或聚醚醚酮薄膜。
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