CN103839649B - 一种传导冷却方式下的二元电流引线结构 - Google Patents

一种传导冷却方式下的二元电流引线结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于传导冷却的分段式二元电流引线结构，其特征在于，该电流引线的铜引线部分采用分段式变截面的结构，连接常温的部分较粗，而连接高温超导引线端较细，连接部分呈锥形过渡，该电流引线的超导引线部分采用环氧树脂固定装配的结构。分段式变截面结构能极大的减小电流引线的漏热，同时利于机械加工。另外，常导导线和超导导线的接口处进行了优化设计，该接口用制冷机一级冷头制冷，氮化铝（AlN）作绝缘导热材料，且氮化铝横截面积尽可能大，铜引线只保留靠近冷头的一部分截面与超导引线连接，这样的接口接触热阻小，能减小漏热，导冷效果更好，可有效的防止接口处失超。

Description

一种传导冷却方式下的二元电流引线结构
技术领域
本发明属于超导磁体中的电流引线技术，具体涉及一种基于传导冷却方式下的分段式变截面二元电流引线结构。
背景技术
由于常温超导材料尚未发现，现有的超导装置都需要工作在低温环境下。由低温超导材料制成的磁体通常运行在4.2K以下，由高温超导材料制成的磁体需要在液氮77K以下温度运行，而磁体励磁的电源处于室温。连接室温电源和低温磁体的导体称为电流引线，也就是室温到低温的过渡段。
对于低温系统，外面传入的热量越多，其损耗越大，成本也就越高。热量传播可以分为三种方式：热辐射，热对流和热传导。热辐射和热对流都可以通过加各种防辐射和防对流材料，或者真空予以隔绝。而由于有电流引线存在，热传导是没法完全避免的，于是电流引线上就会存在传导漏热，除此之外，电流引线自身还会产生焦耳热，于是，电流引线的这两部分漏热成为低温系统的主要漏热源。在大型超导磁体系统中，电流引线的漏热常常占磁体低温系统总漏热的50％左右。为了使在不同通流情况下传导进入的热量最小，就必须设计尺寸适中的电流引线，并选择合适的冷却方式。
电流引线始终是超导装置中必不可少的环节，它关系到超导磁体的稳定工作以及低温系统的成本，具有重要意义。追求稳定性和最小漏热一直是电流引线设计的首要目标。但在实际设计中这和很多因素有关，比如金属部分的材料，结构，接触电阻，高温超导材料性能等。之前的一些研究主要是针对一、二个方面，往往忽略了这些要素之间的耦合关联，导致理论和实际有所出入。随着计算机技术的发展，计算能力不断增强，有限元分析技术不断提高，现有技术已经可以实现多物理场仿真，可以在考虑多种限制的条件下对引线进行分析，使理论模型和实际装置更加接近，满足工程要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种传导冷却方式下的二元电流引线结构，目的是减小线的漏热，提高超导磁体的热稳定性。
本发明提供的一种传导冷却方式下的二元电流引线结构，包括用于从常温端到制冷机一级冷头处的第一引线段和用于从制冷机一级冷头到二级冷头处的第二引线段，其特征是，第一引线段为分段式变截面的结构，采用铜引线，第二引线段采用高温超导引线。
本发明将引线段采用分段式变截面设置，靠近常温端的一段较粗，靠近制冷机一级冷头的一段较细，粗和细俩段的分界处呈锥形过渡；这样设计的目的是改善铜引线温度分布的不均匀性，减小靠近低温端引线的漏热，同时分段式的设计便于机械加工。
本发明采用氮化铝作为制冷机冷头的绝缘导热材料；
本发明氮化铝连接部分使用块状结构，增加传热。
本发明中，“二元”是指电流引线分为铜引线和高温超导引线两部分，从常温端到制冷机一级冷头处用铜引线连接，从制冷机一级冷头处到二级冷头处用高温超导引线连接，本发明对引线段和冷却段高温超导引线的接口部分进行了结构优化设计，该接口部分采用制冷机一级冷头制冷。具体优化方法为减少铜引线与一级冷头处的接触面积，即只保留它圆柱型横截面积的一小部分与冷头连接，以减少漏热和减少铜引线的径向温差，防止与其连接的超导引线失超；同时让高温超导引线靠拢冷头，以保证高温超导引线的低温状态。
附图说明
图1为本发明实例的结构示意图；
图2为图1的立体结构示意图；
图3为本发明实例的引线段结构示意图；
图4为冷却段高温超导引线结构示意图；
图5为引线段和超导引线接口结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，本实例提供的传导冷却方式下的二元电流引线结构，包括第一引线段1和第二引线段3。
第一引线段1从常温端到制冷机一级冷头处，采用铜引线；第二引线段3从制冷机一级冷头到二级冷头处，为高温超导引线。
如图3所示，第一引线段1采用分段式变截面设计，具体包括常温连接端1.1、连接部分1.2和高温超导引线连接端1.3，常温连接端1.1为粗端，高温超导引线连接端1.3为细端，连接部分1.2呈锥形过渡，这样的设计有利于降低低温端漏热，同时分段式设计机械加工更为方便。
如图4所示，第二引线段3采用固定装配的方式，由环氧树脂3.2固定支撑的高温超导带材3.1构成，高温超导带材3.1两端分别为制冷机一级冷头接口部分2和二级冷头接口部分4。
本发明对制冷机一级冷头接口部分2和二级冷头接口部分4的接触热阻进行了优化。两部分均采用氮化铝块2.2与氮化铝块4.2作为绝缘导热材料，该材料在低温下导热系数很高，可降低接触热阻，可提高制冷效率，是做导冷结构的极佳材料。以一级冷头接口部分2为例，如图5所示，一级冷头2.1先接触氮化铝块2.2，再通过氮化铝块2.2冷却铜端子2.3，这样比一级冷头2.1直接冷却铜端子2.3效果要好很多，氮化铝块2.2与铜端子2.3的接触面积应尽可能大，以减少铜端子2.3的温升。二级冷头接口部分4中，二级冷头4.1，氮化铝块4.2，铜端子4.3的相互接触方式与一级冷头接口部分2相同。另外，第一引线段1与第二引线段3连接在铜端子2.3的两端，为了减少铜端子2.3的径向温差，本发明只保留铜引线较细段的一小部分1.4(是指将高温超导引线连接端1.3从轴向截除部分后所保留的一小部分)与铜端子2.3连接，这样可以使铜端子2.3漏热更小，极大降低失超的可能性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1. 一种传导冷却方式下的二元电流引线结构，包括用于从常温端到制冷机一级冷头处的第一引线段和用于从制冷机一级冷头到二级冷头处的第二引线段，其特征是，第一引线段为分段式变截面的结构，采用铜引线，第二引线段采用高温超导引线；
第一引线段包括常温连接端、连接部分和高温超导引线连接端，常温连接端为粗端，高温超导引线连接端为细端，连接部分呈锥形过渡，以减小低温端漏热，该高温超导引线连接端从轴向截除部分后与所保留的一小部分用于与铜端子连接，以降低失超的可能性；
第二引线段由环氧树脂固定支撑的高温超导带材构成，高温超导带材两端分别为制冷机一级冷头接口部分和二级冷头接口部分；
一级冷头接口部分和二级冷头接口部分均采用块状氮化铝作为绝缘导热材料，一级冷头接口部分的一级冷头先接触氮化铝块，再通过氮化铝块冷却铜端子；二级冷头接口部分的二级冷头、氮化铝块、铜端子的相互接触方式与一级冷头接口部分相同；
一级冷头接口部分采用制冷机一级冷头制冷，为减少铜引线与一级冷头处的接触面积，即只保留它圆柱型横截面积的一小部分与冷头连接，以减少漏热和减少铜引线的径向温差，防止与其连接的超导引线失超；同时让高温超导引线靠拢冷头，以保证高温超导引线的低温状态。
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