CN109215929A - 一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体 - Google Patents

一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体 Download PDF

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Abstract

本发明公开了属于超导磁体应用技术领域的一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体。本发明传导冷却磁体包括交替堆叠的N片超导环片、N+1片冷却片，堆叠后固定；N片超导环片均为方形环片或跑道形环片；N+1片冷却片包括冷却部分和连接头，冷却部分上下表面均涂覆绝缘层或均放置绝缘片，冷却部分尺寸与超导环片相同，且切割有能避免产生涡流的切口；连接头与冷却部分等宽，用于连接制冷机。本发明利用制冷机传导冷却每一片超导环片，进而冷却整个超导磁体，操作简便、效率高、成本低，可以满足超导磁体不同运行温度的要求。

Description

一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体
技术领域
本发明属于超导磁体应用技术领域，特别涉及一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体。
背景技术
随着高温超导生产技术的发展，具有高电流密度的ReBCO(稀土系钡铜氧，Re为Y、Sm或Nd)涂层导体的制备技术得到提高，并将其应用于高温超导磁体的制造技术中。高温超导磁体目前采用的冷却方式为传统式的浸泡冷却和传导冷却2种方式。对于浸泡冷却，目前采用的冷却介质一般为液氮或液氦，冷却的温度分别为77K或4.2K，因此很难将冷却的温度降低在4.2K以下，冷却成本很高。对于大型的低温超导和高温超导的设备装置，冷却系统复杂且所需的成本很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体，具体技术方案如下：
一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体包括交替堆叠的N片ReBCO超导环片、N+1片冷却片，堆叠后固定；其中N为正整数。
其中，N片ReBCO超导环片均为方形环片或跑道形环片；方形环片或跑道形环片优选为轴对称环片。
其中，N+1片冷却片均包括冷却部分和矩形连接头，N+1片冷却片冷却部分的尺寸、形状均与ReBCO超导环片相同，冷却部分上下表面均涂覆绝缘层或均放置绝缘片，且切割有能避免产生涡流的切口；冷却部分等宽延伸出的矩形连接头，用于连接制冷机。
其中，冷却片冷却部分的切口位置为内环至冷却片边缘连接处。
其中，方形环片或跑道形环片为内部切割有位置相离的2个圆孔的环片，其中2个圆孔通过狭缝连通；或所述方形环片或跑道形环片为内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的环片，其中跑道形孔和圆孔通过狭缝连通。
其中，所述位置相离的2个圆孔半径相等或不等，所述跑道形孔的两端半圆半径和与其位置相离的圆孔半径相等或不等。
其中，ReBCO超导环片由由下至上依次排列的衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层组成；
所述衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；
所述缓冲层为绝缘性金属氧化物；
所述保护层为银薄膜保护层或铜薄膜保护层；
所述缓冲层利用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术沉积，所述ReBCO薄膜利用金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积法或溅射法沉积。
其中，所述N片ReBCO超导环片的堆叠方向一致。
所述冷却片为裸铜或裸铜合金片。
所述冷却片冷却部分上下放置的绝缘片形状、尺寸与超导环片相同，为有机绝缘片、牛皮纸或环氧薄片；所述冷却片冷却部分上下表面涂覆的绝缘层材料与所述绝缘片材料相同。
所述N+1片冷却片堆叠角度均相同、连接头均设置定位连接孔，采用软连接将连接头与制冷机连接。
利用法兰、螺母、螺栓固定超导环片和冷却片，其中法兰、螺母、螺栓的材料为不锈钢、环氧玻璃钢或环氧树脂。
本发明传导冷却磁体中N片超导环片形状、尺寸一致，分别有2种方形环片、2种跑道形环片结构，即能够组成4种不同结构的超导磁体，冷却片分为冷却部分上下表面涂覆绝缘层或放置绝缘片2种不同结构，堆叠时冷却片冷却部分的尺寸与超导环片相同；即本发明共提出了8种不同结构的传导冷却磁体。
本发明的有益效果为：本发明超导环片之间无焊接、无引线，能够实现超导磁体的闭环运行；采用冷却片与超导环片交替堆叠的方式实现超导磁体的冷却，利用制冷机传导冷却每一片超导环片，进而冷却整个超导磁体，操作简便、效率高、成本低，可以满足超导磁体不同运行温度的要求，同时能够实现大型超导设备的冷却要求。
附图说明
附图1为ReBCO超导薄片的结构示意图；
标号说明：1-ReBCO超导薄片；101-衬底；102-缓冲层；103-ReBCO薄膜；104-保护层；
附图2为ReBCO超导环片结构示意图；
标号说明：201-第Ⅰ圆孔；202-第Ⅱ圆孔；203-第Ⅰ狭缝；204-第Ⅲ圆孔；205-第Ⅰ跑道形孔；206-第Ⅱ狭缝；207-第Ⅳ圆孔；208-第Ⅴ圆孔；209-第Ⅲ狭缝；210-第Ⅵ圆孔；211-第Ⅱ跑道形孔；212-第Ⅳ狭缝；
附图3为绝缘片结构示意图；
附图4为裸铜或裸铜合金冷却片结构示意图；
标号说明：401-切口；402-定位连接孔；
附图5为上下表面涂覆绝缘层的冷却片结构示意图；
标号说明：501-绝缘层；
附图6为实施例6传导冷却磁体结构示意图；
附图7为实施例7传导冷却磁体结构示意图；
附图8为实施例8传导冷却磁体结构示意图；
附图9为实施例9传导冷却磁体结构示意图；
附图10为实施例10传导冷却磁体结构示意图；
附图11为实施例11传导冷却磁体结构示意图；
附图12为实施例12传导冷却磁体结构示意图；
附图13为实施例13传导冷却磁体结构示意图；
标号说明：6-法兰；7-螺栓；8-螺母；Ⅰ-ReBCO方形超导环片Ⅰ；Ⅱ-ReBCO方形超导环片Ⅱ；Ⅲ-ReBCO跑道形超导环片Ⅲ；Ⅳ-ReBCO跑道形超导环片Ⅳ；Ⅴ-方形绝缘片Ⅴ；Ⅵ-方形绝缘片Ⅵ；Ⅶ-跑道形绝缘片Ⅶ；Ⅷ-跑道形绝缘片Ⅷ；Ⅸ-裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ；Ⅹ-裸铜或裸铜合金冷却片Ⅹ；Ⅺ-裸铜或裸铜合金冷却片Ⅺ；Ⅻ-裸铜或裸铜合金冷却片Ⅻ；Ⅸ-1-上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅸ-1；Ⅹ-1-上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅹ-1；Ⅺ-1-上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅺ-1；Ⅻ-上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅻ-1。
具体实施方式
本发明提供了一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
制备如附图1所示的ReBCO超导薄片，具体过程如下：
(1)采用与第二代高温超导涂层相同的衬底材料制作出片状衬底101，其中衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；
(2)在衬底101上，采用第二代高温超导缓冲层制备工艺沉积缓冲层102，其中缓冲层为绝缘性金属氧化物；
(3)在缓冲层102上，采用第二代高温超导薄膜涂层技术镀上ReBCO薄膜103；
(4)在ReBCO薄膜103上镀上保护层104，其中保护层104为银薄膜保护层或铜薄膜保护层，即得到ReBCO超导薄片1。
其中第二代高温超导缓冲层制备工艺为离子束辅助沉积技术(IBAD)或倾斜基底沉积(ISD)技术；所述第二代高温超导薄膜涂层技术为金属有机化学气相沉积(MOCVD)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法。
实施例2
制备如图2所示的ReBCO超导环片，具体过程如下：
其中，图2-a所示内部切割有位置相离2个圆孔的ReBCO方形超导环片Ⅰ具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为长度为a、宽度为b的方形片，然后在方形片内部优选中心位置切割出位置相离的半径为r1的第Ⅰ圆孔201和半径为r2的第Ⅱ圆孔202，同时在第Ⅰ圆孔201和第Ⅱ圆孔202圆心连线处切割出宽度为w1，长度为l1的第Ⅰ狭缝203，以连通第Ⅰ圆孔201和第Ⅱ圆孔202，即得到如图2-a所示的ReBCO方形超导环片Ⅰ。
其中，图2-b所示的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的ReBCO方形超导环片Ⅱ具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为长度为a、宽度为b的方形片，在方形片内部优选中心位置切割出位置相离的第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205，其中第Ⅲ圆孔204半径为r3，第Ⅰ跑道形孔205内短半轴为m1、内长半轴n1；同时在第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205之间切割出宽度为w2，长度为l2的第Ⅱ狭缝206，以连通第Ⅲ圆孔204和第Ⅰ跑道形孔205，即得到如图2-b所示的ReBCO方形超导环片Ⅱ。
其中，图2-c所示的内部切割有位置相离2个圆孔的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ具体制备为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为外短半轴e、外长半轴为f的跑道形片，然后在跑道形片内部优选中心位置切割出位置相离的半径为r4的第Ⅳ圆孔207和半径为r5的第Ⅴ圆孔208，同时在第Ⅳ圆孔207和第Ⅴ圆孔208圆心连线处切割出宽度为w3，长度为l3的第Ⅲ狭缝209，以连通第Ⅳ圆孔207和第Ⅴ圆孔208，即得到如图2-c所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ。
其中，图2-d所示的内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ具体制备为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割为外短半轴e、外长半轴为f的跑道形片，在跑道形片内部优选中心位置切割出位置相离的的第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211，其中第Ⅵ圆孔210半径为r6，第Ⅱ跑道形孔211内短半轴为m2、内长半轴n2；同时在第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211之间切割出宽度为w4，长度为l4的第Ⅳ狭缝212，以连通第Ⅵ圆孔210和第Ⅱ跑道形孔211，即得到如图2-d所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ。
其中，ReBCO方形超导环片Ⅰ、ReBCO方形超导环片Ⅱ、ReBCO跑道形超导环片Ⅲ、ReBCO跑道形超导环片Ⅳ优选为轴对称环片；各部分尺寸要求如下：a、b相等或不等，r1、r2、r3、r4、r5、r6相等或不等，w1、w2、w3、w4、l1、l2、l3、l4相等或不等，m1、m2相等或不等，n1、n2相等或不等。
实施例3
制备如图3所示的绝缘片：将有机绝缘薄膜如PPLP绝缘材料薄膜、牛皮纸或环氧薄片切割为同实施例2所示超导环片形状、尺寸完全相同的绝缘片。
其中，图3-a为与图2-a所示的ReBCO方形超导环片Ⅰ形状、尺寸完全相同的方形绝缘片Ⅴ；图3-b为与图2-b所示的ReBCO方形超导环片Ⅱ形状、尺寸完全相同的方形绝缘片Ⅵ；图3-c为与图2-c所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅲ形状、尺寸完全相同的跑道形绝缘片Ⅶ；图3-d为与图2-d所示的ReBCO跑道形超导环片Ⅳ形状、尺寸完全相同的跑道形绝缘片Ⅷ。
实施例4
制备如图4所示的冷却片，冷却片采用铜或铜合金作为传导冷却材料；具体过程如下：
其中，图4-a所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为长度为a+x(x＞0)、宽度为b的方形片，其中长度a、宽度b部分为冷却部分，长度x、宽度b部分为连接头。将冷却部分内部切割出与图2-a所示的ReBCO方形超导环片Ⅰ形状、尺寸、相对位置完全相同的内部孔，并切割出宽度为w5的切口401，使得内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头内部切割出4个半径为r7的定位连接孔402；即得到如图4-a所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ。
其中，图4-b所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅹ的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为长度为a+x(x＞0)、宽度为b的方形片，其中长度a、宽度b部分为冷却部分，长度x、宽度b部分为连接头。将冷却部分内部切割出与图2-b所示的ReBCO方形超导环片Ⅱ形状、尺寸、相对位置完全相同的内部孔，并切割出宽度为w5的切口401，使得内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头内部切割出4个半径为r7的定位连接孔402；即得到如图4-b所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅹ。
其中，图4-c所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅺ的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为长度为2f+x(x＞0)、宽度为2e的方形片，其中长度2f、宽度2e部分为冷却部分，长度x、宽度2e部分为连接头。将冷却部分切割为与图2-c所示的ReBCO方形超导环片Ⅲ形状、尺寸相同的形状，并沿径向切割出宽度为w5的切口401，使得内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头内部切割出4个半径为r7的定位连接孔402；即得到如图4-c所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅺ。
其中，图4-d所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅻ的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为长度为2f+x(x＞0)、宽度为2e的方形片，其中长度2f、宽度2e部分为冷却部分，长度x、宽度2e部分为连接头。将冷却部分切割为与图2-d所示的ReBCO方形超导环片Ⅳ形状、尺寸、相对位置完全相同的形状，并沿径向切割出宽度为w5的切口401，使得内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头内部切割出4个半径为r7的定位连接孔402；即得到如图4-d所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅻ。
实施例5
图5-a为同样带有切口的冷却片Ⅸ-1，具体通过在图4-a所示裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ冷却部分的上下表面涂覆绝缘层501得到。
图5-b为同样带有切口的冷却片Ⅹ-1，具体通过在图4-b所示裸铜或裸铜合金冷却片Ⅹ冷却部分的上下表面涂覆绝缘层501得到。
图5-c为同样带有切口的冷却片Ⅺ-1，具体通过在图4-c所示裸铜或裸铜合金冷却片Ⅺ冷却部分的上下表面涂覆绝缘层501得到。
图5-d为同样带有切口的冷却片Ⅻ-1，具体通过在图4-d所示裸铜或裸铜合金冷却片Ⅻ冷却部分的上下表面涂覆绝缘层501得到。
实施例6
如图6所示的基于ReBCO超导方形环片的传导冷却磁体，由N片图2-a所示的ReBCO超导环片Ⅰ、N+1片图4-a所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ交替堆叠，其中每片冷却片Ⅸ冷却部分上下均放置图3-a所示的绝缘片Ⅴ，堆叠固定得到。具体制备为：
(1)先水平放置第1片方形绝缘片Ⅴ，将第1片裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ堆叠在第1片方形绝缘片Ⅴ上方，然后将第2片方形绝缘片Ⅴ堆叠在第1片裸铜或裸铜合金冷却片Ⅸ上方，将第1片ReBCO方形超导环片Ⅰ堆叠在第2片方形绝缘片Ⅴ上方，堆叠时上下、左右完全对齐；
(2)由下至上，依次堆叠，得到绝缘片、冷却片、绝缘片、ReBCO超导环片……绝缘片、冷却片、绝缘片的堆叠体，其中N片ReBCO方形超导环片Ⅰ的堆叠方向均一致，即衬底101均朝上或朝下；
(3)在上述所得堆叠体上下加法兰6固定，并通过4个定位孔用螺栓7、螺母8将超导环片、绝缘片压紧固定；其中法兰6内部开孔与堆叠体内部孔的尺寸、大小完全相同；
(4)将每片冷却片连接头折叠到同一平面上，其上的4个定位连接孔402对齐，采用软连接的方法如铜导冷编织带，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成完整的方形环片结构的传导冷却磁体。
实施例7
按照与实施例6相同的方法，将N片图2-b所示的ReBCO超导环片Ⅱ、N+1片图4-b所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅹ交替堆叠、固定得到如图7所示的传导冷却磁体；其中N+1片冷却片Ⅹ冷却部分上下放置图3-b所示的绝缘片Ⅵ。
实施例8
按照与实施例6相同的方法，将N片图2-c所示的ReBCO超导环片Ⅲ、N+1片图4-c所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅺ交替堆叠、固定得到如图8所示的传导冷却磁体；其中N+1片冷却片Ⅺ冷却部分上下放置图3-c所示的绝缘片Ⅶ。
实施例9
按照与实施例6相同的方法，将N片图2-d所示的ReBCO超导环片Ⅳ、N+1片图4-d所示的裸铜或裸铜合金冷却片Ⅻ交替堆叠、固定得到如图9所示的传导冷却磁体；其中N+1片冷却片Ⅻ冷却部分上下放置图3-d所示的绝缘片Ⅷ。
实施例10
如图10所示的基于ReBCO超导方形环片的传导冷却磁体，由N片图2-a所示的ReBCO超导环片Ⅰ、N+1片图5-a所示的上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅸ-1交替堆叠、固定得到。具体制备为：
(1)先水平放置第1片冷却片Ⅸ-1，将第1片ReBCO方形超导环片Ⅰ堆叠在第1片冷却片Ⅸ-1上方，堆叠时上下、左右完全对齐；
(2)由下至上，依次堆叠第2片冷却片Ⅸ-1、第2片ReBCO方形超导环片Ⅰ……第N片冷却片Ⅸ-1、第N片ReBCO方形超导环片Ⅰ、第N+1片冷却片Ⅸ-1，得到绝缘片、冷却片、绝缘片……冷却片、绝缘片的堆叠体，其中N片ReBCO方形超导环片Ⅰ的堆叠方向均一致，即衬底101均朝上或朝下；
(3)在上述所得堆叠体上下加法兰6固定，并通过4个定位孔用螺栓7、螺母8将超导环片、绝缘片压紧固定；其中法兰6内部开孔与堆叠体内部孔的尺寸、大小完全相同；
(4)将每片冷却片连接头折叠到同一平面上，其上的4个定位连接孔402对齐，采用软连接的方法如铜导冷编织带，将冷却片连接头连接到制冷机的冷却板，形成完整的方形环片结构的传导冷却磁体。
实施例11
按照与实施例10相同的方法，将N片图2-b所示的ReBCO超导环片Ⅱ、N+1片图5-b所示的上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅹ-1交替堆叠、固定得到如图11所示的传导冷却磁体。
实施例12
按照与实施例10相同的方法，将N片图2-c所示的ReBCO超导环片Ⅲ、N+1片图5-c所示的上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅺ-1交替堆叠、固定得到如图12所示的传导冷却磁体。
实施例13
按照与实施例10相同的方法，将N片图2-d所示的ReBCO超导环片Ⅳ、N+1片图5-d所示的上下表面涂覆绝缘层的冷却片Ⅻ-1交替堆叠、固定得到如图13所示的传导冷却磁体。
采用磁通泵技术为实施例6～13所得磁体励磁：将螺管线圈同心同轴地插入实施例6～13所得传导冷却磁体的一个内部孔中，具体为：对于具有相离2个圆孔的ReBCO超导环片即实施例6、8、10、12，只需在一侧的圆孔中插入螺线管进行整体的磁体励磁，在另一侧的圆孔中监测实际磁体的磁场值；对于具有相离跑道形孔、圆孔的ReBCO超导环片即实施例7、9、11、13，直接在一侧的圆孔中的插入螺线管进行励磁，在跑道形孔中产生稳定的强磁场；脉冲电源提供交变电流，通过周期性励磁使超导磁体磁场不断增大至期望值，然后无需撤去螺管线圈，关闭脉冲电源，使得超导磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场；超导环片之间无焊接、无引线，能够实现闭环运行。维持稳定磁场的超导磁体产热，利用制冷机传导冷却每一片超导环片，进而冷却整个超导磁体，操作简单、效率高。

Claims (10)

1.一种基于ReBCO超导环片的传导冷却磁体，其特征在于，包括交替堆叠的N片ReBCO超导环片、N+1片冷却片，堆叠后固定；其中N为正整数；
所述N片ReBCO超导环片均为方形环片或跑道形环片；
所述冷却片包括冷却部分和连接头，冷却部分上下表面均涂覆绝缘层或均放置绝缘片，冷却部分尺寸、形状均与ReBCO超导环片相同，且切割有能避免产生涡流的切口；冷却部分等宽延伸出的矩形连接头，用于连接制冷机。
2.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述方形环片或跑道形环片为内部切割有位置相离的2个圆孔的环片，其中2个圆孔通过狭缝连通；
或所述方形环片或跑道形环片为内部切割有位置相离的跑道形孔和圆孔的环片，其中跑道形孔和圆孔通过狭缝连通。
3.根据权利要求2所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述方形环片或跑道形环片为轴对称环片。
4.根据权利要求2所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述位置相离的2个圆孔半径相等或不等，所述跑道形孔的两端半圆半径和与其位置相离的圆孔半径相等或不等。
5.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述冷却片冷却部分的切口位置为内环至冷却片边缘连接处。
6.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述ReBCO超导环片由自下至上依次排列的衬底、缓冲层、ReBCO薄膜和保护层组成；
所述衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；
所述缓冲层为绝缘性金属氧化物；
所述保护层为银薄膜保护层或铜薄膜保护层；
所述缓冲层利用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术沉积，所述ReBCO薄膜利用金属有机化学气相沉积、脉冲激光沉积法或溅射法沉积。
7.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述N片ReBCO超导环片的堆叠方向一致。
8.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述冷却片为裸铜或裸铜合金片。
9.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述冷却片冷却部分上下放置的绝缘片形状、尺寸与超导环片相同，为有机绝缘片、牛皮纸或环氧薄片；
所述冷却片冷却部分上下表面涂覆的绝缘层材料与所述绝缘片材料相同。
10.根据权利要求1所述的传导冷却磁体，其特征在于，所述N+1片冷却片堆叠角度均相同、连接头均设置定位连接孔，采用软连接将连接头与制冷机连接。
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