CN109346263B - 一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体 - Google Patents

一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体 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D形环片的传导冷却环向磁体。传导冷却环向磁体由多个相同的单元环向场磁体沿环向均匀分布、组合构成，其中，单元环向场磁体由N片超导D形环片、N+1片冷却片交替堆叠、固定得到，N为正整数；N+1片冷却片包括冷却部分和矩形连接头，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、形状均与超导D形环片相同，且沿径向切割有能避免产生涡流的切口；矩形连接头用于连接制冷机。本发明提供的传导冷却环向磁体具有操作简便、冷却效率高、漏热小的优点，能够实现磁体不同冷却温度的要求。

Description

一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体
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D形环片的传导冷却环向磁体。
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。高温超导环型磁体是高温超导磁体的一种结构形式，它最重要和最有前景的应用场合是高温超导环型磁储能磁体和高温超导托卡马克环向磁体。环向磁体是由数个完全一样的单元线圈沿一个大环均匀分布而成的磁体，能够产生大空间稳定的高强度磁场。目前大多数磁体采用真空低温杜瓦浸泡式冷却，一般有液氮和液氦两个温区实现磁体的冷却，而且在液氦温区下冷却磁体所需的成本很高，冷却系统庞大而且复杂，故此，采用制冷机来冷却高温超导磁体，可以实现不同温度的需求，而且成本较低，冷却系统简单易实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体，具体技术方案如下：
一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体由多个相同的单元环向场磁体沿环向均匀分布、组合构成，所述单元环向场磁体由N片ReBCO超导D形环片、N+1片冷却片交替堆叠、固定得到，其中N为正整数，D形环片为半圆形环片；
其中，ReBCO超导D形环片的D形内环1个拐角或2个拐角处切割圆形定位孔。
其中，D形内环2个拐角切割圆形定位孔的D形环片轴对称。
所述ReBCO超导D形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；其中，衬底材料为Ni、NiW、哈氏合金或不锈钢；缓冲层为绝缘性金属氧化物；保护层为银薄膜保护层或铜薄膜保护层。
其中，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，N片ReBCO超导D形环片的堆叠方向一致。
其中，冷却片包括冷却部分和矩形连接头，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D形环片相同，且沿径向切割有能避免产生涡流的切口，具体为沿内环至冷却片边缘连接处切割狭缝；由冷却部分延伸出的矩形连接头用于连接位于环向磁体中心的制冷机。
其中，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。
其中，冷却片为裸铜或裸铜合金片。
其中，冷却片冷却部分上下放置的绝缘片形状、尺寸与ReBCO超导D形环片相同，为有机绝缘片、牛皮纸或环氧薄片；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。
其中，传导冷却环向磁体的固定包括单个单元传导冷却磁体的固定和整个传导冷却环向磁体的固定，可采用在单个单元传导冷却磁体的两侧堆加法兰、钢铠，利用无磁的螺栓、螺母实现固定，采用现有的托克马克装置的固定方法，利用支撑筒、不锈钢支架等实现整体环向磁体的固定；其中，固定材料优选为不锈钢、环氧玻璃钢。
本发明的有益效果为：本发明提供的传导冷却环向磁体利用制冷机传导冷却每一片ReBCO超导D形环片，进而冷却整个环向磁体，具有操作简便、冷却效率高、漏热小的优点，能够实现磁体不同冷却温度的要求，解决了高温超导磁体在高场下的磁场冷却问题。
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D形环片结构示意图；
附图3为绝缘片结构示意图；
附图4为冷却片结构示意图；
附图5为实施例5传导冷却磁体结构示意图；
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；
标号说明：2-第ⅠReBCO超导D形环片；3-第ⅡReBCO超导D形环片；4-第Ⅰ绝缘片；5-第Ⅱ绝缘片；6-第Ⅰ裸铜或裸铜合金冷却片；7-第Ⅱ裸铜或裸铜合金冷却片；8-第Ⅰ上下表面涂覆绝缘层的冷却片；9-第Ⅱ上下表面涂覆绝缘层的冷却片；10-第Ⅰ单元传导冷却磁体；11-第Ⅱ单元传导冷却磁体；12-第Ⅲ单元传导冷却磁体；13-第Ⅳ单元传导冷却磁体。
具体实施方式
本发明提供了一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体，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D形环片，具体过程如下：
其中，图2-a所示D形内环1个拐角处切割有定位圆孔的第ⅠReBCO超导D形环片2具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割出D形环片即半圆形环片，内环半径为r1，外环半径为r2，圆环宽度为w1；在D形内环的直线与圆弧的1个交接处即1个内环拐角处切割出半径为r3的圆形定位孔201，即得到如图2-a所示的第ⅠReBCO超导D形环片2。
其中，图2-b所示D形内环2个拐角处均切割有定位圆孔的第ⅡReBCO超导D形环片3具体制备过程为：
将实施例1所得ReBCO超导薄片上切割出D形环片即半圆形环片，内环半径为r4，外环半径为r5，圆环宽度为w2；在D形内环的直线与圆弧的2个交接处即2个内环拐角处切割出半径为r6、r7的圆形定位孔301、302，即得到如图2-b所示的第ⅡReBCO超导D形环片3，其中，第ⅡReBCO超导D形环片3为轴对称环片。
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D形环片形状、尺寸完全相同的绝缘片。
其中，图3-a为与图2-a所示的第ⅠReBCO超导D形环片2形状、尺寸完全相同的第Ⅰ绝缘片4；图3-b为与图2-b所示的第ⅡReBCO超导D形环片3形状、尺寸完全相同的第Ⅱ绝缘片5。
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所示的第Ⅰ裸铜或裸铜合金冷却片6的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为矩形薄片，并将矩形薄片一端切割为与如图2-a所示的第ⅠReBCO超导D形环片2尺寸、形状完全相同的D形环状作为冷却部分601，另一端作为连接头602；其中，冷却部分601沿径向切割宽度为w3的切口603，使得冷却部分601内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头602内部切割出2个对称的、半径为r8的定位连接孔604，用以连接制冷机。
其中，图4-b所示的第Ⅱ裸铜或裸铜合金冷却片7的制备具体为：将裸铜或裸铜合金片切割为矩形薄片，并将矩形薄片一端切割为与如图2-b所示的第ⅡReBCO超导D形环片3尺寸、形状完全相同的D形环状作为冷却部分701，另一端作为连接头702；其中，冷却部分701沿径向切割宽度为w3的切口703，使得冷却部分701内部孔与外部连通以避免产生涡流；连接头702内部切割出2个对称的、半径为r8的定位连接孔704，用以连接制冷机。
其中，图4-c为在图4-a所示的第Ⅰ裸铜或裸铜合金冷却片6冷却部分的上下表面涂覆绝缘层801得到同样带有切口的冷却片8。
图4-d为在图4-b所示的第Ⅱ裸铜或裸铜合金冷却片7冷却部分的上下表面涂覆绝缘层901得到同样带有切口的冷却片9。
实施例5
如图5所示的基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体，由N片图2-a所示的第ⅠReBCO超导D形环片2、N+1片图4-a所示的第Ⅰ裸铜或裸铜合金冷却片6交替堆叠，其中每片冷却片6冷却部分上下均放置图3-a所示的第Ⅰ绝缘片4，堆叠固定得到。具体制备为：
(1)先水平放置第1片绝缘片4，将第1片裸铜或裸铜合金冷却片6堆叠在第1片绝缘片4上方，然后将第2片绝缘片4堆叠在第1片裸铜或裸铜合金冷却片6上方，将第1片第ⅠReBCO超导D形环片2堆叠在第2片第Ⅰ绝缘片4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D形环片……ReBCO超导D形环片、绝缘片、冷却片、绝缘片的堆叠体，将所得堆叠体中每片冷却片连接头折叠到同一平面上，其上的2个定位连接孔604对齐，利用法兰、螺栓固定得到第Ⅰ单元传导冷却磁体10，其中N片ReBCO超导D形环片2的堆叠方向均一致；
(3)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，多个第Ⅰ单元传导冷却磁体10沿环向均匀分布，组成完整的传导冷却环向磁体。
实施例6
按照与实施例5相同的方法，将N片图2-b所示的第ⅡReBCO超导D形环片3、N+1片图4-b所示的第Ⅱ裸铜或裸铜合金冷却片7交替堆叠、固定得到第Ⅱ单元传导冷却磁体11，其中N+1片冷却片7冷却部分上下表面均放置图3-b所示的第Ⅱ绝缘片5；多个第Ⅱ单元传导冷却磁体11沿环向均匀分布，组成如图6所示的传导冷却环向磁体。
实施例7
如图7所示的基于ReBCO超导D形环片的传导冷却磁体，由N片图2-a所示的第ⅠReBCO超导D形环片2、N+1片图4-c所示的第Ⅰ上下表面涂覆绝缘层的冷却片8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8，将第1片ReBCO超导D形环片2堆叠在第1片冷却片8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8、第2片第ⅠReBCO超导D形环片2……第N片冷却片8、第N片第ⅠReBCO超导D形环片2、第N+1片冷却片8，得到绝缘片、冷却片、绝缘片……冷却片、绝缘片的堆叠体，将所得堆叠体中每片冷却片连接头折叠到同一平面上，其上的2个定位连接孔对齐，利用法兰、螺栓固定得到第Ⅲ单元传导冷却磁体12，其中N片ReBCO超导D形环片2的堆叠方向均一致；
(3)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，多个第Ⅲ单元传导冷却磁体12沿环向均匀分布，组成完整的传导冷却环向磁体。
实施例8
按照与实施例7相同的方法，将N片图2-b所示的第ⅡReBCO超导D形环片3、N+1片图4-d所示的第Ⅱ上下表面涂覆绝缘层的冷却片9交替堆叠、固定得到第Ⅳ单元传导冷却磁体13；多个第Ⅳ单元传导冷却磁体13沿环向均匀分布，组成如图8所示的传导冷却环向磁体。
采用磁通泵技术为实施例5～8所得环向磁体励磁：将螺管线圈环向螺绕插入实施例5～8所得传导冷却环向磁体的1个或2个圆形定位孔中，穿过整个的环向磁体，利用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，使得环向磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场；也可以单独对单个的环向场磁体励磁，使得环向磁体产生高而稳定的磁场；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 (8)

1.一种基于ReBCO超导D形环片的传导冷却环向磁体，其特征在于，由多个相同的单元环向场磁体沿环向均匀分布、组合构成，所述单元环向场磁体由N片ReBCO超导D形环片、N+1片冷却片交替堆叠、固定得到，其中N为正整数；
所述冷却片包括冷却部分和矩形连接头，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D形环片相同，且沿径向切割有能避免产生涡流的切口；矩形连接头用于连接制冷机；
所述ReBCO超导D形环片的D形内环1个拐角或2个拐角处切割圆形定位孔；
将螺管线圈环向螺绕插入所述传导冷却环向磁体的1个或2个圆形定位孔中，穿过整个的环向磁体，利用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，使得环向磁体的电流保持恒定，维持稳定的磁场。
2.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，其特征在于，所述D形内环2个拐角切割圆形定位孔的D形环片轴对称。
3.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，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。
4.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，其特征在于，所述ReBCO超导D形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。
5.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，其特征在于，所述N片ReBCO超导D形环片的堆叠方向一致。
6.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，其特征在于，所述冷却片为裸铜或裸铜合金片。
7.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，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ReBCO超导D形环片相同，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。
8.根据权利要求1所述的传导冷却环向磁体，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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