CN110828058B - 一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体。该复合化导体由外方内圆的不锈钢制铠甲以及其中的四根同型号高温超导电缆组成。所述四根高温超导电缆的结构由外向内分别为：绝缘包套，铝制护套，四瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体，以及分别嵌入铜制基体方形槽内的四组钇钡铜氧高温超导带堆叠。所述铜制基体、钇钡铜氧高温超导带材堆叠与铝制护套之间通过焊锡固定；所述铝制护套上开有等距的冷却孔以加强导体冷却能力。本发明结构紧凑，在高背景磁场条件下具有较高的载流能力，同时抗干扰能力强，稳定性裕度高，适用于包括磁约束聚变堆超导磁体在内的多种高场超导电缆应用场景。

Description

一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体
技术领域
本发明属于超导电工领域，具体涉及一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体结构设计及其加工制造关键工艺。
背景技术
超导磁体系统是磁约束聚变装置中最重要的子系统之一，磁体系统通过产生具有特定位形的强磁场对高参数等离子体进行约束，使其能够安全稳定地进行聚变反应。想要获得高参数稳定等离子体放电，在高背景场下具有良好临界特性的磁体系统必不可少。目前托卡马克装置基本已经放弃常规导体磁体，全部采用超导材料制作磁体系统。随着聚变堆磁体系统磁场强度等参数的提高，传统低温超导导体上临界磁场强度低、在高背景磁场下的临界电流衰退严重，工作电流密度有限等缺点限制了其应用范围；由低温超导导体制成的电流引线，其超导端与电源端温差较大，电流引线漏热成为超导磁体低温系统一大热负荷；同时，低温超导材料在面对多种因素引起的局部热扰动时，其稳定性能量裕度不高。高温超导，通常指转变温度高于液氮温度的超导材料(与已经广泛应用的“低温超导”相对应，并非特指某一温度或温度区间)。目前，实用化的高温超导带材主要包括两种：一种是采用粉末装管法生产的铋系高温超导带材，但是其生产过程中大量使用贵金属银，导致其成本较高，且在高背景磁场下载流能力比较差。以钇钡铜氧化物为代表的第二代高温超导带材(涂层导体)经过十几年的发展，制备工艺逐渐成熟。单根第二代高温超导带材载流能力较小，不足以满足以聚变堆磁体为代表的高载流应用场景；由于第二代高温超导材料为金属氧化物陶瓷材料，脆性较大，机械加工性能差，无法直接用于超导线圈绕制等应用。而本发明中的高温超导复合化导体一定程度上可以克服上述缺点。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体，在保证结构紧凑的前提下，在高背景磁场条件下尽量获得更高的载流能力，特殊的结构保证复合化导体的机械强度，面对多种电磁扰动和机械扰动仍能不发生大规模失超，具有较高的稳定性裕度。
本发明的技术方案如下：
本发明提出一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体，包括：高温超导复合化导体外层为横截面外方内圆的钢制铠甲，内含四根相同的高温超导电缆；高温超导电缆最外层包裹有绝缘包套，内层为铝制护套；铝制护套内包括四瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体，以及四组分别封装在铜制基体方形槽内的钇钡铜氧高温超导带材堆叠；铜制基体中心冷却孔内通有超临界氦作为冷却剂。
进一步的，所述钇钡铜氧高温超导带材堆叠与铜制基体之间嵌入低温锡箔，所述铜制基体与钇钡铜氧高温超导带材堆叠共同叠包锡箔后穿入铝制护套，随后通过180摄氏度硅油浴加热至锡箔融化，并完全填充钇钡铜氧高温超导带材堆叠、铜制基体与铝制护套间缝隙。
进一步的，铝制护套上按预定间隔开有多组散热孔，每组包括以铝制护套中心线为轴错开30度的两排孔，每排包含六个孔，相邻孔夹角为60度。
进一步的，高温超导电缆中的铜制基体由四瓣相同的长条状铜制基体拼接而成，每瓣截面为外侧开有方形沟槽的四分之一圆环，方形沟槽的尺寸与钇钡铜氧超导带材堆叠相吻合；每根长条状铜制基体均采用热拉拔的工艺一次加工成型。
所述高温超导电缆结构，其中四组钇钡铜氧高温超导带材堆叠在放入铜制基体的方形槽之前，已经通过焊锡进行封装固定，防止高温超导带材层与层之间出现滑移、振动、变形等影响载流能力的变化。
本发明的有益效果在于：
本发明作为结构紧凑型高载流高温超导复合化导体，主要实现了在高背景磁场、大应力负载作用条件下的高载流能力；双层铠甲结构使得导体面对电磁力横向负载时临界电流衰退较小；四瓣独立的铜基体设计降低了复合化导体承载交变电流时的涡流损耗和磁滞损耗，提高了复合化导体稳定性裕度；由焊锡固联的铜基体、超导带材堆叠与铝护套可以防止导体因电磁力或机械应力产生局部变形和振动，从而防止复合化导体载流能力下降。本发明可以应用于超导储能、磁约束聚变堆超导磁体系统等领域，提供在复杂电磁环境、高背景磁条件场下仍具有高载流能力的超导电缆，加速推进高温超导材料的实用化进程。
附图说明
图1为本发明高温超导复合化导体三维结构示意图；
图2为本发明高温超导电缆结构的三维简图；
图3为本发明高温超导电缆开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体的三维简图；
图4为本发明高温超导电缆铝制护套上冷却孔分布示意图。
其中，附图中标号：1、不锈钢铠甲；2、高温超导电缆；3、绝缘包套；4、铝制护套；5、铜制基体；6、钇钡铜氧高温超导带材堆叠；7、中心冷却孔；8、固定用焊锡；9、冷却通孔。
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为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，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
参考附图1和附图2，一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体，复合化导体外层为横截面外方内圆的不锈钢铠甲1，内含四根相同的高温超导电缆2；高温超导电缆最外层包裹有绝缘包套3，内层为铝制护套4；铝制护套4内包括四瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体5，以及四组分别封装在铜制基体5方形槽内的钇钡铜氧高温超导带材堆叠6，中心冷却孔7内根据需要可以通迫流冷却的液氦或液氮作为冷却剂。
参考附图2，所述高温超导电缆结构，其铜制基体5与铝制护套4之间、钇钡铜氧高温超导带材堆叠6与铝制护套4之间通过熔点低、导热性与导电性皆较为优良的焊锡8进行固定，加强高温超导电缆的机械强度，防止钇钡铜氧高温超导带材堆叠6因受到电磁应力或机械应力干扰而产生振动或变形；减小高温超导复合化导体因电磁应力或机械应力而产生的载流能力衰退。
参考附图2，在钇钡铜氧高温超导带材堆叠6与铜制基体5之间嵌入低温锡箔，在铜制基体5与钇钡铜氧高温超导带材堆叠6外侧叠包锡箔后穿入铝制护套4，然后对整根导体采用热浴加热的方式均匀加热至锡箔融化，使铜制基体5、钇钡铜氧高温超导带材堆叠6以及铝制护套6之间的缝隙被完全填充，随后均匀冷却至室温。
参考附图2和附图3，所述高温超导电缆结构，其中的铜制基体5由四瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体5拼接而成，结构见附图3，每部分的截面均为外侧开有方形沟槽的四分之一圆环，方形沟槽的尺寸与钇钡铜氧超导带材相吻合；每瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体5均采用热拉拔的工艺一次加工成型。
参考附图2，所述高温超导电缆结构，其中四组钇钡铜氧高温超导带材堆叠6在放入铜制基体5的方形槽之前，已经通过焊锡8进行封装固定，防止高温超导带材层与层之间出现滑移、振动、变形等影响载流能力的变化。
参考附图2和附图4，所述高温超导电缆结构，其铝制护套4上按10mm间隔开有两组散热孔，每组包含两排，以护套中心线为轴错开30度，每排包含六个孔，相邻孔夹角60度，以增加换热面积。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，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。

Claims (2)

1.一种基于分瓣堆叠结构的高载流高温超导复合化导体，其特征在于：
高温超导复合化导体外层为横截面外方内圆的钢制铠甲，内含四根相同的高温超导电缆；高温超导电缆最外层包裹有绝缘包套，内层为铝制护套；铝制护套内包括四瓣外侧开有方形槽的四分之一圆环形铜制基体，以及四组分别封装在铜制基体方形槽内的钇钡铜氧高温超导带材堆叠；铜制基体中心冷却孔内通有超临界氦作为冷却剂；
所述钇钡铜氧高温超导带材堆叠与铜制基体之间嵌入低温锡箔，所述铜制基体与钇钡铜氧高温超导带材堆叠共同叠包锡箔后穿入铝制护套，随后通过180摄氏度硅油浴加热至锡箔融化，并完全填充钇钡铜氧高温超导带材堆叠、铜制基体与铝制护套间缝隙
所述高温超导电缆中的铜制基体由四瓣相同的长条状铜制基体拼接而成，每瓣截面为外侧开有方形沟槽的四分之一圆环，方形沟槽的尺寸与钇钡铜氧超导带材堆叠相吻合；每根长条状铜制基体均采用热拉拔的工艺一次加工成型。
2.根据权利要求1所述的高温超导复合化导体，其特征在于：
铝制护套上按预定间隔开有多组散热孔，每组包括以铝制护套中心线为轴错开30度的两排孔，每排包含六个孔，相邻孔夹角为60度。
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