CN109390078A - 一种低温液体强迫冷却电缆结构 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种低温液体强迫冷却电缆结构，其包括从内至外设置的导体（1）、多个支撑架（2）、保温管（3），其中：导体（1）为中空的金属管，并在所述的金属管道侧壁间隔设置有通孔（12），在所述导体内形成低温液体通道（11）；所述支撑架（2）为非金属材料加工形成的镂空结构，其按照一定间隔套装在导体（1）上；所述保温管（3）为高真空绝热管道，所述导体（1）通过支撑架（2）同轴套装在保温管（3）内部。实施本发明实施例，可以在传输大电流时提高热传导效率以及避免集肤效应。
Description
技术领域
本发明涉及超导传输领域，特别是涉及一种低温液体强迫冷却电缆结构。
背景技术
高纯度铝或铜的电阻在低温下将大幅降低，因此在诸如需要高载流密度、脉冲功率放电等场合具有重要的应用。一般情况下，低温电缆采用液氮直接对导体进行冷却，但低温液体直接冷却存在以下问题：首先，常规导体发热导致低温液体汽化，形成的气膜容易附着在导体表面，从而影响导体与低温液体间的热交换；其次，传输大电流时导体存在集肤效应，电流大部分均通过导体表层附近导体，导体中间部位传输电流小，从而导致导体的载流能力未能得到充分利用。
在现有技术中，也公开了一些超低温电缆，例如，在其中的一种电缆结构中，其屏蔽绝缘芯线包括导体和依次包裹在所述导体外的半导电内屏蔽层、耐高压绝缘层、外半导电层和金属丝编织层等。本质上看，该电缆与常规电缆无太大区别，主要采用了一系列耐低温绝缘材料，同样会存在上述的不足之处。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种低温液体强迫冷却电缆结构，可以在传输大电流时提高热传导效率以及避免集肤效应。
为了解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种低温液体强迫冷却电缆结构，其包括从内至外设置的导体、多个支撑架、保温管，其中：
导体为中空的金属管，并在所述的金属管道侧壁间隔设置有通孔，在所述导体内形成低温液体通道；
所述支撑架为非金属材料加工形成的镂空结构，其按照一定间隔套装在导体上；
所述保温管为高真空绝热管道，所述导体通过支撑架同轴套装在保温管内部。
其中，所述金属管道侧壁设置的通孔为长条形通孔，其长度方向与所述导体的长度方向一致；沿导体圆周方向的通孔按照沿圆周按第一距离进行的间隔布置，沿导体长度方向的通孔按照第二距离间隔布置。
其中，所述长条形通孔的宽度为0.5-1mm、长度为3-5mm，所述第一距离处于5-8mm之间，所述第二距离处于20-50mm之间。
其中，所述导体采用铜或铝材料制成，所述低温液体通道充填有液氮。
其中，所述每一支撑架均包含内环、多个辐条、外环三部分；其中，内环内径与导体外径配合；所述辐条起支撑定位作用，两端分别与所述内环和外环相连接；所述外环用于将导体部分结构限定在保温管内部，因此外环的外径与保温管内径一致。
其中，所述支撑架采用玻璃钢板加工而成，其厚度处于3-5mm之间。
其中，所述保温管为高真空绝热管道，其包含内管、外管，二者之间为高真空夹层。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在本发明的实施例中，采用高纯铝或铜管作为传输电流的导体，并在导体管道上加工有长条形通孔，导体通过绝缘支架固定在绝热管道内。正常运行时，在导体管道内注入加压的低温液体（如液氮），低温液体被传输电流导体产生的热量汽化，低温气体和液氮通过沿管道分布的通孔排出导体，一方面可以在导体外表面继续对导体进行冷却；另一方面，低温气体和液体的不断排出增加了导体内部和外部低温介质的紊乱程度，从而可以避免在导体表面形成气膜而影响传热效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明提供的一种低温液体强迫冷却电缆结构的结构示意图；
图2为图1中导体结构示意图；
图3为图1中支撑架结构示意图；
图4为图1中保温管结构示意图。
其中，各部件的标号如下：导体1、支撑架2、电保温管3、导体的低温液体通道11、导体的长条形通孔12、支撑架的内环21、支撑架的辐条22、支撑架的外环23、保温管的内管31、保温管的外管32、保温管的真空夹层33。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，示出了本发明提供的一种低温液体强迫冷却电缆结构的结构示意图。一并结合图2至图4所示，在本实施例中，所述低温液体强迫冷却电缆结构，其包括从内至外设置的导体1、多个支撑架2、保温管3，其中：
导体1为中空的金属管，用于传输电流和输送冷却用低温液体；具体地，金属管侧壁用于传输电流，而内部用于传输低温液；在所述的金属管道侧壁间隔设置有通孔12，在所述导体内形成低温液体通道11；可以理解的是，所述导体1一般采用具有高电导率的金属材料制作，使用较多的为铜或铝材料。导体1的基本结构为一根金属管，管道的直径和壁厚需要根据传输电流值来计算确定，根据电流值计算导体截面尺寸是电工领域专业技术人员的公知常识。所述的导体1中空部分为低温液体通道11，用于传输低温液体，所述低温液体通道11内充填有液氮。
更加具体地，所述金属管道1侧壁设置的通孔12为长条形通孔，其长度方向与所述导体1的长度方向一致；沿导体圆周方向的通孔按照沿圆周按第一距离进行的间隔布置，沿导体长度方向的通孔按照第二距离间隔布置。具体地，在一个例子中，所述长条形通孔的宽度为0.5-1mm、长度为3-5mm，所述第一距离处于5-8mm之间，所述第二距离处于20-50mm之间。
在具体的一个例子中，本实施例中，导体1传输脉冲形式电流，电流持续时间为500ms，幅值为10kA，设计导体1内径为20mm，壁厚为2mm；导体1上的开孔宽度为0.5mm、长度为3mm、沿圆周方向均匀布置有6个，长度方向间隔为35mm。
所述支撑架2用于将导体1固定在保温管3内，一般采用高强度的非金属材料制作，例如采用玻璃钢制成。所述非金属材料被加工形成的镂空结构，其按照一定间隔套装在导体1上；
其中，所述每一支撑架2均包含内环21、多个辐条22、外环23三部分；其中，内环21内径与导体1外径配合，一般径向厚度选择为3-5mm即可；所述辐条22起支撑定位作用，其两端分别与所述内环21和外环23相连接，其数量和宽度需要根据导体1的重量和强度进行核算，一般情况下可以选择为6组，宽度一般5-8mm即可满足要求；所述外环23用于将导体1部分结构限定在保温管3内部，因此外环23的外径与保温管3内径一致。径向厚度选择为3-5mm即可满足要求。支撑架2采用玻璃钢板加工而成，厚度一般为3-5mm即可。制造时，将导体1套装在支撑架2的内环21中，然后再将其整体套装在保温管3内。
在本实施例中，支撑架2采用3mm厚的玻璃钢板制造，内环21内径为24mm，厚度为3mm；外环23内径为60mm，厚度为3mm；辐条22宽度为3mm，共6条连接内环21和外环23。
所述保温管3用于为低温液体提供保温环境，一般采用高真空绝热管道。具体地，所述导体1通过支撑架2同轴套装在保温管3内部。所述保温管3为高真空绝热管道，其包含内管31、外管32，二者之间为高真空夹层33。
本实施例中，保温管3采用高真空绝热管道，其内管31内径为60mm，壁厚为1mm；真空夹层33厚度为10mm，外管32内径为82mm，壁厚为1mm。
可以理解的是，本发明提供的电缆主要用于极大电流脉冲放电场合，一方面将导体降温至超低温能够大幅减小导体的电阻率，如液氮冷却铜管道电阻率仅为室温值的1/8、铝管道电阻率仅为室温值的1/10，从而降低极大电流能量在导体上的衰减；另一方面，一般极大电流脉冲放电时间持续仅为秒级，但期望放电间隔时间越短越好，常规水冷方式冷却效率较低，而采用低温液体冷却效率远高于水冷却，从而可以大幅减少冷却所需的时间。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：
在本发明的实施例中，采用高纯铝或铜管作为传输电流的导体，并在导体管道上加工有长条形通孔，导体通过绝缘支架固定在绝热管道内。正常运行时，在导体管道内注入加压的低温液体（如液氮），低温液体被传输电流导体产生的热量汽化，低温气体和液氮通过沿管道分布的通孔排出导体，一方面可以在导体外表面继续对导体进行冷却；另一方面，低温气体和液体的不断排出增加了导体内部和外部低温介质的紊乱程度，从而可以避免在导体表面形成气膜而影响传热效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (7)
1.一种低温液体强迫冷却电缆结构，其特征在于，包括从内至外设置的导体（1）、多个支撑架（2）、保温管（3），其中：
导体（1）为中空的金属管，并在所述的金属管道侧壁间隔设置有通孔（12），在所述导体内形成低温液体通道（11）；
所述支撑架（2）为非金属材料加工形成的镂空结构，其按照一定间隔套装在导体（1）上；
所述保温管（3）为高真空绝热管道，所述导体（1）通过支撑架（2）同轴套装在保温管（3）内部。
2.如权利要求1所述的低温液体强迫冷却电缆结构，其特征在于，所述金属管道1侧壁设置的通孔（12）为长条形通孔，其长度方向与所述导体（1）的长度方向一致；沿导体圆周方向的通孔按照沿圆周按第一距离进行的间隔布置，沿导体长度方向的通孔按照第二距离间隔布置。
3.如权利要求2所述的低温液体强迫冷却电缆结构，其特征在于，所述长条形通孔（12）的宽度为0.5-1mm、长度为3-5mm，所述第一距离处于5-8mm之间，所述第二距离处于20-50mm之间。
4.如权利要求1至3任一项所述的低温液体强迫冷却电缆结构，其特征在于，所述导体（1）采用铜或铝材料制成，所述低温液体通道（11）内充填有液氮。
5.如权利要求4所述的低温液体强近冷却电缆结构，其特征在于，所述每一支撑架（2）均包含内环（21）、多个辐条（22）、外环（23）三部分；其中，内环（21）内径与导体（1）外径配合；所述辐条（22）起支撑定位作用，其两端分别与所述内环（21）和外环（23）相连接；所述外环（23）用于将导体（1）部分结构限定在保温管（3）内部，所述外环（23）的外径与保温管（3）内径一致。
6.如权利要求5所述的低温液体强近冷却电缆结构，其特征在于，所述支撑架（2）采用玻璃钢板加工而成，其厚度处于3-5mm之间。
7.如权利要求6所述的低温液体强近冷却电缆结构，其特征在于，所述保温管（3）为高真空绝热管道，其包含内管（31）以及外管（32），二者之间为高真空夹层（33）。
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