CN110415911B - 一种可插拔的二元电流引线装置及其冷却容器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可插拔的二元电流引线装置及其冷却容器，电流引线装置包括分体式设计的超导电流引线和铜电流引线及一级冷腔，铜电流引线容纳于金属套管内；一级冷腔的底部固定有与其连通的波纹管，金属套管穿入一级冷腔并延伸至波纹管内；波纹管下端、铜电流引线下端和金属套管下端之间安装有密封结构，铜电流引线的下端部穿出密封结构；铜电流引线的上端设置有与密封结构配合密封金属套管内腔及固定铜电流引线的安装调节机构。本方案将超导电流引线和铜电流引线设计成分体式后，在不需要馈电时，可以通过分离铜电流引线和超导电流引线防止外界热量通过铜电流引线进入冷却容器，避免电流引线引起的传导漏热。

Description

一种可插拔的二元电流引线装置及其冷却容器

技术领域

本发明涉及为超导磁体馈电的二元电流引线，具体涉及一种可插拔的二元电流引线装置及其冷却容器。

背景技术

通常情况下给低温系统提供电力的二元电流引线主要是由常规铜电流引线部分和超导电流引线部分构成，其中铜电流引线工作在室温和中间热截流温度之间，高温超导电流引线工作在热截流温度和超导系统温度之间。整个低温系统中，电流引线的漏热一般占到系统整体漏热的一半以上。为了进一步减小超导磁体低温运行时二元电流引线的漏热，现有部分技术出现了在冷却容器内部铜电流引线所在处固定一个液氮盒，将铜电流引线穿入液氮盒与高温超导电流引线连接，通过液氮盒冷却铜电流引线和超导电流引线的接头，但是在闭环运行的低温系统中，磁体励磁完毕后，该电流引线仍然连通着低温环境与室温环境，使得该设计仍会不断消耗低温系统内部的制冷剂，引起较大的传导漏热，显著降低系统的性能。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种可插拔的二元电流引线装置及其冷却容器可以通过分离铜电流引线和超导电流引线阻断外界热量通过铜电流引线进入冷却容器。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种可插拔的二元电流引线装置，其包括分体式设计的超导电流引线和铜电流引线及用于盛装冷媒对铜电流引线进行冷却的一级冷腔，铜电流引线容纳于金属套管内；一级冷腔的底部固定有与其连通的波纹管，金属套管穿入一级冷腔并延伸至波纹管内；

波纹管下端、铜电流引线下端和金属套管下端之间固定安装有用于防止一级冷腔内的冷媒从波纹管端部渗出的密封结构，铜电流引线的下端部穿出密封结构；铜电流引线的上端设置有与密封结构配合密封金属套管内腔及固定铜电流引线的安装调节机构。

进一步地，安装调节机构包括固定于金属套管上端的凸台和通过连接件与凸台配合的压盖；凸台上开设有供压盖上的延伸部插入的通孔，延伸部或通孔内壁上安装有用于铜电流引线插拔时密封延伸部和通孔接触处的密封件，铜电流引线上端通过玻璃钢板固定于压盖上。

进一步地，凸台和压盖相对的面上开设有至少一对相互配合的卡槽，配合的两个卡槽内安装有一弹性件。

进一步地，密封结构包括密封固定于波纹管下端安装的底座，底座上具有向上延伸的凸部和供铜电流引线下端部穿过的过孔；铜电流引线的下端套装有密封部，密封部下表面开设有与凸部紧密配合的环形槽。

进一步地，金属套管上开设有供一级冷腔内的冷媒进入金属套管内冷却密封部和铜电流引线的冷媒入口。

进一步地，密封部采用低温下发生收缩的材料制成。

进一步地，铜电流引线和超导电流引线接触的端部设置成相互配合的插拔端，插拔端为相互配合的凸台和凹槽、相互配合的插针和插座、相互配合的波浪凹凸面或者相互贴合的斜面。

进一步地，可插拔的二元电流引线装置还包括两端密封安装于冷却容器内容纳有超导磁体的二级冷腔和一级冷腔上的连通套管及固定于二级冷腔上用于支撑超导电流引线的支撑套管；

超导电流引线位于支撑套管内，且超导电流引线的上端部延伸出支撑套管；波纹管、支撑套管和密封结构均位于连通套管内。

进一步地，连通套管上连接有与其导通的抽真空管，抽真空管的自由端安装有抽真空阀门。

第二方面，提供一种冷却容器，其包括具有容纳腔的容器，容器上安装有可插拔的二元电流引线装置，可插拔的二元电流引线装置仅安装调节机构和铜电流引线的顶端位于容器外部，可插拔的二元电流引线装置与容器内的超导磁体电连接。

本发明的有益效果为：本方案可插拔的二元电流引线装置主要安装于冷却容器中，用于对冷却容器中的超导磁体馈电。

本方案的铜电流引线和超导电流引线采用分体式设计后，在磁体励磁时，可以通过给安装调节机构施加力带动铜电流引线和波纹管向下运动与超导电流引线接触实现给超导磁体馈电，在馈电过程中铜电流引线位于一级冷腔内，冷媒能够对铜电流引线馈电时的漏热进行抑制；

超导磁体励磁完毕后可以通过安装调节机构带动铜电流引线和波纹管向上运动，以使铜电流引线与超导电流引线分离，这样可以防止外界热量通过二元电流引线进入超导磁体所在的低温系统。

另外，由于铜电流引线和超导电流引线相互配合的接触部均位于冷却容器中，工作状态和分离状态都处于真空环境中，而不是处于室内环境，这样可以避免分离后引起铜电流引线和超导电流的接触端出现结霜。

可插拔的二元电流引线装置应用于冷却容器时，安装调节机构位于冷却容器的外部，不管是采用手动还是机械给安装调节机构提供动力，都不会给超导磁体带来磁场干扰。

附图说明

图1为可插拔的二元电流引线装置一个实施例的结构示意图。

图2为图1中A部的放大图。

图3为图1中B部的放大图。

图4为可插拔的二元电流引线装置另一个实施例的结构示意图。

图5为插拔端为插针和插座时的结构示意图。

其中，1、铜电流引线；2、超导电流引线；3、一级冷腔；31、波纹管；32、密封结构；321、底座；322、密封部；4、金属套管；41、冷媒入口；5、安装调节机构；51、压盖；511、延伸部；512、密封件；513、卡槽；52、连接件；53、凸台；531、通孔；54、弹性件；6、连通套管；7、支撑套管；71、玻璃钢板；8、抽真空管；81、抽真空阀；9、二级冷腔；91、不锈钢块；92、密封套管。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种可插拔的二元电流引线装置包括分体式设计的超导电流引线2和铜电流引线1及用于盛装冷媒对铜电流引线1进行冷却的一级冷腔3，铜电流引线1容纳于金属套管4内。分体式设计的超导电流引线2和铜电流引线1可以仅在给超导磁体馈电时连接在一起。

如图1和图5所示，为了保证电流传输的稳定性，本方案优选将超导电流引线2和铜电流引线1相互配合的端部设置成插拔端；为了增大铜电流引线1和超导电流引线2的接触面积，可以将插拔端设置为相互配合的凸台和凹槽、相互配合的插针和插座、相互配合的波浪凹凸面或者相互贴合的斜面。

一级冷腔3的底部固定有与其连通的波纹管31，金属套管4穿入一级冷腔3并延伸至波纹管31内；波纹管31的设置，在铜电流引线1上下运动时，波纹管31也能够随铜电流引线1一起伸缩，方便铜电流引线1和超导电流引线2的插拔，还可以避免冷媒密封性不好出现渗漏；同时还可以保证插拔过程中，铜电流引线1仅下端部位于波纹管31，保证外界进入的热量在铜电流引线1端就被冷媒充分的吸收。

一级冷腔3和波纹管31构成盛装冷媒的腔室，其内盛装的冷媒可以是液氮、液氖、液氩、液氦或液氢。一级冷腔3除了冷却铜电流引线1外，还可以在其外部加一层辐射屏(材料为铜或铝等)，通过一级冷腔3传导冷却辐射屏的方式为低温系统提供一层防辐射漏热保护装置。

一级冷腔3由铜或铝等材料制成，波纹管31由不锈钢制成，波纹管31焊接在一级冷腔3底部，一级冷腔3与波纹管31整体形成倒置的“凸”形结构。可插拔的二元电流引线装置应用于冷却容器时，一级冷腔3通过悬挂装置(不锈钢管等导热性差的金属)安装在冷却容器内部，其顶部设置有冷媒进出管道，方便随时补充冷媒和泄放由冷媒产生的气体。

波纹管31下端、铜电流引线1下端和金属套管4下端之间固定安装有用于防止一级冷腔3内的冷媒从波纹管31端部渗出的密封结构32，铜电流引线1的下端部穿出密封结构32。

如图3所示，实施时，本方案优选密封结构32包括密封固定于波纹管31下端的底座321，底座321上具有向上延伸的凸部和供铜电流引线1下端部穿过的过孔；铜电流引线1的下端套装有密封部322，密封部322下表面开设有与凸部紧密配合的环形槽。

具体地，铜电流引线1的下端(低温端)与密封部322通过螺纹连接在一起，底座321和金属套管4均可以采用不锈钢制成，底座321与波纹管31延长部分焊接在一起。

由于在底座321上开设有通孔531，若是密封性不好，一级冷腔3内的冷媒可能从波纹管31中向冷却容器中渗漏，本方案通过密封部322及环形槽和凸部的相互配合，使得密封部322与底座321间及密封部322与铜电流引线1之间不存在间隙，从而达到较好的密封性能。

实施时，本方案优选密封部322采用低温下发生收缩的材料制成，低温下发生收缩的材料可以为聚四氟乙烯或聚全氟乙丙烯。

利用密封部322在低温环境中优异的收缩性能，密封部322在低温环境能够发生收缩而抱紧铜电流引线1及底座321的凸部形成紧配合结构，从而防止冷媒溢出。密封部322实现整体结构低温密封的同时又使铜电流引线1和波纹管31之间形成绝缘。

如图3所示，金属套管4上开设有供一级冷腔3内的冷媒进入金属套管4内冷却密封部322和铜电流引线1的冷媒入口41。冷媒入口41的设置，其可以引入冷媒对金属套管4中的铜电流引线1和密封部322进行冷却，同时还可以通过热传导冷却铜电流引线1的下端部(插拔端)。

再次参考图1，铜电流引线1的上端设置有与密封结构32配合密封金属套管4内腔及固定铜电流引线的安装调节机构5。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，安装调节机构5包括固定于金属套管4上端的凸台53和通过连接件52与凸台53配合的压盖51；凸台53上开设有供压盖51上的延伸部511(铜电流引线1穿过延伸部511)插入的通孔531，延伸部511或通孔531内壁上安装有用于铜电流引线1插拔时密封延伸部511和通孔531接触处的密封件512；铜电流引线1的上端通过玻璃钢板71安装在压盖51上。

安装调节机构5采用上述结构后，需要对铜电流引线1和超导电流引线2接触进行馈电时，可以向下旋动连接件52，使压盖51的延伸部511相对通孔531向下运动一定距离，以带动铜电流引线1和波纹管31向下运动一定距离，以实现铜电流引线1和超导电流引线2的电接触；

当需要铜电流引线1和超导电流引线2分开时，通过旋出连接件52，使其带动铜电流引线1分离超导电流引线2，在保持压盖51和凸台53相对位置的情况下再固定上连接件52。

其中的密封件512若是设置在通孔531上时，优选设置在通孔531上端侧壁，以保证延伸部511一直存在接触面与密封件512接触，以避免密封件512在无延伸部511的限制下发生脱离；若是密封件512设置于延伸部511上，为了避免拔出延伸部511时，出现密封件512被拔出通孔531影响密封的情况，可以在延伸部511上等间距地设置多圈密封件512。

其中压盖51和凸台53可以采用不锈钢制成，连接件52采用具有螺纹段的螺柱或螺杆，这样方便调节连接件52；密封件512采用具有弹性的密封圈，最好是在低温环境下不发生收缩的材质制成。

实施时，本方案优选凸台53和压盖51相对的面上开设有至少一对相互配合的卡槽513，配合的两个卡槽513内安装有一弹性件54，本方案优选弹性件54为弹簧。

设置弹性件54后，在旋出连接件52后，弹性件54能够带动压盖51向上运动，以实现铜电流引线1和超导电流引线2的分离，分离时可以保证平稳地分离，避免出现振动；之后旋上连接件52，弹性件54能够对压盖51起支撑作用。

当冷却容器内放置有用于存放超导磁体的二级冷腔9时，如图4所示，可插拔的二元电流引线装置还包括两端密封安装于二级冷腔9和一级冷腔3上的连通套管6及固定于二级冷腔9上用于支撑超导电流引线2的支撑套管7；超导电流引线2位于支撑套管7内，且超导电流引线2的上端部延伸出支撑套管7；波纹管31、支撑套管7和密封结构32均位于连通套管6内。

在本方案中，一级冷腔内冷媒的温度远低于外界环境温度，二级冷腔中冷媒的温度低于一级冷腔内冷媒的温度。

超导电流引线2的上端部(插拔端)通过玻璃钢板71固定于支撑套管7上，使得超导电流引线2与支撑套管7之间绝缘，支撑套管7和连通套管6均为不锈钢等热导率差的金属，连通套管6下端焊接在二级冷腔9上，连通套管6两端分别焊接在二级冷腔9和一级冷腔3上。

超导电流引线2末端通过两个不锈钢块91和一个密封套管92(与密封件512材质一样)固定于二级冷腔9顶壁内侧；具体地，两个配合的不锈钢块91上开设有通孔，其中一个不锈钢块91上开设有环形卡槽，另一个不锈钢块91上与环形卡槽相对的面开设有凹槽；通过将密封套管92安装在两个通孔内，并延伸至环形卡槽和凹槽内。

密封套管92利用其低温冷缩特性与两个不锈钢块91形成紧密配合，实现对二级冷腔9内冷媒的密封，二级冷腔9其内盛装的冷媒也可以是液氮、液氖、液氩、液氦或液氢。其中一个不锈钢块91通过焊接固定在二级冷腔9内壁上，另一个不锈钢块91通过螺栓与二级冷腔9上的不锈钢块91连接，在两个不锈钢块91与密封套管92的共同作用下，实现超导电流引线2末端处的密封。

超导电流引线2上端部(插拔端)通过铜电流引线1的传导冷却，末端伸入二级冷腔9中与冷媒直接接触，为整个超导电流引线2提供超导运行环境。

再次参考图4，连通套管6上连接有与其导通的抽真空管8，抽真空管8的自由端安装有抽真空阀81。

连通套管6、抽真空管8和抽真空阀81的设置，可以利用抽空装置在铜电流引线1拔离超导电流引线2前，将连通套管6内抽为真空状态，以达到截断冷媒通过超导电流引线2热传导路线的目的。

在铜电流引线1拔离超导电流引线2后，使得连通套管6内的部件处于真空环境中，可以防止外界热量通过超导电流引线2进入低温系统，进一步降低系统整体漏热及铜电流引线1和超导电流分离后，两者的插拔端出现结霜。

与此同时，本方案还提供一种包括可插拔的二元电流引线装置的冷却容器，该冷却容器至少包括具有容纳腔的容器和超导磁体，可插拔的二元电流引线装置安装在容器上，其仅安装调节机构5和铜电流引线1的顶端位于容器外部，可插拔的二元电流引线装置与容器内的超导磁体电连接。

综上所述，本方案的铜电流引线1和超导电流引线2可以通过安装调节机构传递过来的力，再配合波纹管31实现铜电流引线1和超导电流引线2平稳的分离，以阻断二级冷腔中冷媒通过超导电流引线的传导漏热，该种结构除了具有结构简单、漏热小等优点，同时还可以避免铜电流引线1和超导电流引线2相接触部位设置在室内环境出现结霜的问题。

Claims (9)

1.一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，包括分体式设计的超导电流引线和铜电流引线及用于盛装冷媒对铜电流引线进行冷却的一级冷腔，铜电流引线容纳于金属套管内；所述一级冷腔的底部固定有与其连通的波纹管，所述金属套管穿入一级冷腔并延伸至波纹管内；

所述波纹管下端、铜电流引线下端和金属套管下端之间固定安装有用于防止一级冷腔内的冷媒从波纹管端部渗出的密封结构，铜电流引线的下端部穿出密封结构；所述铜电流引线的上端设置有与密封结构配合密封金属套管内腔及固定铜电流引线的安装调节机构；

所述安装调节机构包括固定于金属套管上端的凸台和通过连接件与凸台配合的压盖；所述凸台上开设有供压盖上的延伸部插入的通孔，所述延伸部或通孔内壁上安装有用于铜电流引线插拔时密封延伸部和通孔接触处的密封件，铜电流引线上端通过玻璃钢板固定于压盖上。

2.根据权利要求1所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述凸台和压盖相对的面上开设有至少一对相互配合的卡槽，配合的两个卡槽内安装有一弹性件。

3.根据权利要求1所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述密封结构包括密封固定于波纹管下端的底座，所述底座上具有向上延伸的凸部和供铜电流引线下端部穿过的过孔；所述铜电流引线的下端套装有密封部，所述密封部下表面开设有与所述凸部紧密配合的环形槽。

4.根据权利要求3所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述金属套管上开设有供一级冷腔内的冷媒进入金属套管内冷却密封部和铜电流引线的冷媒入口。

5.根据权利要求3所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述密封部采用低温下发生收缩的材料制成。

6.根据权利要求1所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述铜电流引线和超导电流引线接触的端部设置成相互配合的插拔端，所述插拔端为相互配合的凸台和凹槽、相互配合的插针和插座、相互配合的波浪凹凸面或者相互贴合的斜面。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，还包括两端密封安装于冷却容器内容纳有超导磁体的二级冷腔和一级冷腔上的连通套管及固定于二级冷腔上用于支撑超导电流引线的支撑套管；

所述超导电流引线位于支撑套管内，且超导电流引线的上端部延伸出支撑套管；所述波纹管、支撑套管和密封结构均位于所述连通套管内。

8.根据权利要求7所述的一种可插拔的二元电流引线装置，其特征在于，所述连通套管上连接有与其导通的抽真空管，所述抽真空管的自由端安装有抽真空阀。

9.冷却容器，其特征在于，包括具有容纳腔的容器，所述容器上安装有权利要求1-8任一所述的可插拔的二元电流引线装置，所述可插拔的二元电流引线装置仅安装调节机构和铜电流引线的顶端位于容器外部，所述可插拔的二元电流引线装置与容器内的超导磁体电连接。