CN111398050B - 一种基于传导冷却的超导线性能测量装置 - Google Patents

一种基于传导冷却的超导线性能测量装置 Download PDF

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Abstract

一种基于传导冷却的超导线的性能测量装置，包括温度控制组件、加载杆、真空杜瓦、支撑装置、电气组件和夹具。其中，温度控制组件通过安装在真空杜瓦端板法兰上的制冷机降温，并通过在超导线上安装温度计测量超导线的温度，真空杜瓦内部安装防辐射屏，其中，电气组件利用电流引线对超导线进行馈电并测量超导线两端的电信号。其中，加载杆和支撑装置通过夹具安装超导线并对超导线施加载荷，超导线上安装应变计测量超导线的应变状态。本发明基于传导冷却的超导线的性能测量装置，操作性强，结构简单，能够实现不同温度段的低温应力应变测量。

Description

一种基于传导冷却的超导线性能测量装置
技术领域
本发明涉及一种超导线的性能测量装置。
背景技术
高场磁体技术在近年来一直是超导磁体领域的研究热点之一，高场线圈在运行过程中，导线内通大电流以产生强磁场，同时线圈工作需要在极低温环境中以增大传导电流的能力，因此，强电磁场、大电流和极限低温环境使得超导线圈工作在复杂的极端环境中，导致磁体的局部部位不可避免的出现大应力状态和应力集中现象，可能引发磁体失超。在如此复杂的工况中，考验着整个磁体系统的综合承载能力，而高场线圈的制造是整个磁体系统的最重要的一环。
研究高场线圈的关键工艺特性，必须了解超导线的低温力学性能，对整个超导磁体的设计和建造有十分重要的意义。对于极端多场环境下超导磁体结构的力学层面上的研究显得尤为重要并极具挑战性。
要将超导材料应用到高场超导磁体系统中，需要对其工程特性，特别是机电特性有透彻的了解。超导线轴向的力学性能是最基本的机械特性之一，了解超导线在轴向的应力应变特性以及超导线短样的临界性能与超导线的应变状态的关系，可以反应出超导线的抗拉和抗压的能力，以及超导线在受到一定的拉伸、压缩应力下的承载电流能力。对于超导磁体的设计来说，超导线短样轴向的力学性能，有助于对于超导磁体运行过程中的受力情况进行计算分析，对于应力集中的部分进行校核，判断应力集中是否超出了超导线短样的承载能力，从而设计出超导线的运行裕度，增大超导磁体运行的安全性和可靠性。
超导线的低温测量需要将温度降低到超导线的临界温度以下，超导线才能呈现超导态。目前用于超导线低温测量的制冷方式主要有低温介质浸泡方式和传导冷却方式。采用液氮、液氦、固氮等低温介质对超导线降温，能够把超导线温度降低到特定温度下，但很难实现温度变化的实验条件。对于低温超导体，如NbTi、Nb3Sn材料，需要价格昂贵的液氦才能降温到超导临界温度以下。而且液氦的运输、保存和使用需要专用的设备和人员。传导冷降温方式克服了依赖低温介质的不足，采用制冷机的电制冷方式，通过制冷机中的压缩机做功把低温超导线的温度降低到超导临界温度以下。
目前关于超导线的性能测量装置，大部分是基于液氮和液氦等低温介质浸泡的制冷方式，需要复杂的设备，大量的准备工作等。对于需要长时间的实验条件，易挥发的低温介质不能长时间保存，会造成样品的温度波动。专利CN103336212A设计的装置通过旋转螺杆使样品架发生弯曲变形，能够测量的样品应变量有限，样品台安装超导线有可能对超导线造成损伤，尤其对于热处理后的铌三锡超导线，轻微的机械运动就会造成非常脆弱的铌三锡超导相的破坏。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术难以测量超导线低温下的大应变量和易损伤超导线的缺点，提出一种基于传导冷却的超导线的性能测量装置。本发明装置结构简单，能够测量不同长度的超导线，能够产生大应变量，对脆弱的超导线保护良好，不会在安装过程中损伤超导线，能够测量不同温度的超导线的力学性能。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于传导冷却的超导线的性能测量装置，包括真空杜瓦、温度控制组件、电气组件、支撑装置、夹具和加载杆。
温度控制组件、电气组件、支撑装置和夹具置于真空杜瓦内部，加载杆布置在杜瓦外的中心轴处。超导线通过夹具支撑，布置在真空杜瓦内。真空杜瓦内部安装有防辐射屏。
温度控制组件通过安装在真空杜瓦外部的制冷机降温，并通过在超导线上安装的温度计测量超导线的温度。
电气组件包括第一电流引线和第二电流引线和电压测量线。两根电流引线的一端连接在夹具上，两根电流引线的另一端穿出真空杜瓦的端板法兰与外部电源连接。电流引线对超导线馈电，电压测量线一端的两个触点连接在超导线两端，另一端连接杜瓦外的电压表，测量超导线两端的电压信号，输出到电压表读取数据。加载杆和支撑装置通过夹具固定超导线两端，并对超导线施加载荷，超导线上安装应变计测量超导线的应变状态。
加载杆通过焊接波纹管固定在真空杜瓦端板法兰上，焊接波纹管两端装有快接密封法兰，方便拆卸。加载杆穿过真空杜瓦端板法兰，通过螺纹连接固定在上夹具座上。加载杆的材质为高强度玻璃纤维加强环氧树脂。
所述的夹具包括与加载杆底端连接的上夹具座、上夹具座内的上夹具、与支撑装置的下法兰盘连接的下夹具座，以及下夹具座内的下夹具。其中，上夹具和下夹具为具有中心孔的圆柱，超导线的两端通过焊锡固定在夹具的中心孔内。上夹具和下夹具固定超导线的两端，分别插入上夹具座和下夹具座的凹槽中。夹具采用紫铜材料制作，夹具座采用环氧树脂材料制作。
所述的支撑装置包括和真空杜瓦端板法兰连接的圆柱管、与圆柱管底端螺纹连接的上法兰盘，以及与上法兰盘通过3根螺杆连接的下法兰盘。圆柱管的中心穿过加载杆，与加载杆同轴。所述的圆柱管的材质为高强度玻璃纤维加强环氧树脂，支撑装置的其他部件选用不锈钢材料制作。
所述的第一电流引线的一端和第二电流引线的一端分别连接到上夹具和下夹具上。
本发明通过制冷机对超导线降温到临界温度以下。通过加载杆的向上运动，将拉力传递到超导线上，对超导线施加拉伸载荷。应变计测量超导线的应变参数，通过电流引线向超导线馈电，电压测量引线测量超导线两端的电压，测量超导线的机械拉伸热性和电特性。通过上夹具和下夹具表面粘贴的加热器，调节冷却和加热功率，从而控制超导线的温度。保温层包裹超导线和夹具。
由于超导线非常脆弱，常规夹具在对超导线两端夹紧的过程中可能使超导线两端发生塑性变形，常规的夹具在安装过程中容易引入额外的作用力使超导线发生扭转、弯曲等变形，造成超导线的不可恢复的损伤，本发明将超导线采用焊接的方式固定在夹具内，避免引入大的挤压应力。夹具安装到夹具座内的过程中，只需将夹具插入夹具座对应的凹槽内即可，在加载过程中夹具座在受力作用下通过夹具座凹槽内的端面与夹具端面压紧，对超导线施加拉伸载荷，避免引入拉伸载荷外的干扰作用力。此外，测量不同长度的超导线样品，只需要调节上法兰盘和下法兰盘中间的螺杆长度，使上夹具座和下夹具座的相对距离来匹配不同长度的测试样品，因此可以测量不同长度范围和具有大应变量的超导线。
本发明结构简单，针对超导线比较脆弱的特点，设计了能够保护超导线不受损伤的夹具。本发明测量装置可与万能试验机结合，测量超导线的力学特性和电特性，得到超导线在不同应力、应变状态下的临界电流，测量超导线的临界转变温度，以及超导线在不同的温度下的电、机械特性。测量的长度范围宽，能够测试不同长度的超导线。
附图说明
图1本发明的传导冷却的超导线的性能测量装置结构示意图；
图2本发明的支撑装置的结构示意图；
图3本发明的超导线与夹紧焊接后的结构示意图；
图4本发明的超导线与电气组件的结构示意图；
图5本发明的夹具座结构示意图；
图1中：1真空杜瓦，2防辐射屏，3制冷机，4导冷带，5第一电流引线，6第二电流引线，7加载杆，8快接密封法兰，9焊接波纹管，10保温层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明传导冷却的超导线的性能测量装置包括真空杜瓦1、温度控制组件、电气组件、支撑装置、夹具和加载杆7。
温度控制组件、电气组件、支撑装置和夹具置于真空杜瓦1内部，加载杆7布置在真空杜瓦1外的中心轴处。超导线通过夹具支撑，布置在真空杜瓦1内。真空杜瓦1内部安装有防辐射屏2。
温度控制组件通过安装在真空杜瓦1外部的制冷机3降温，通过导冷带4将冷量传导到超导线两端的夹具上，并通过在超导线上安装的温度计测量超导线的温度。导冷带4位于真空杜瓦1内，一端连接制冷机3冷头，另一端连接超导线的两端。
电气组件包括第一电流引线5和第二电流引线6和电压测量线。电气组件通过夹具连接超导线。第一电流引线5和第二电流引线6连接在夹具上，对超导线馈电，电压测量线一端的两个触点连接在超导线两端，另一端连接杜瓦外的电压表，测量超导线两端的电压信号，并输出到真空杜瓦外部的电压表读取数据。第一电流引线5的另一端和第二电流引线6的另一端穿出真空杜瓦端板法兰与外部电源连接。
所述的加载杆7通过焊接波纹管9固定在真空杜瓦端板法兰上，焊接波纹管9的两端装有快接密封法兰8。加载杆7穿过真空杜瓦端板法兰，固定在上夹具座上。加载杆7和支撑装置通过夹具固定超导线两端并对超导线施加载荷，超导线上安装应变计测量超导线的应变状态。
所述的夹具包括与加载杆底端连接的上夹具座、下夹具座、上夹具、下夹具。下夹具座与支撑装置的下法兰盘连接。上夹具座和下夹具座中心开有凹槽，凹槽截面为凹形。上夹具和下夹具为具有中心孔的圆柱形，超导线的两端通过焊锡固定在夹具的中心孔内。上夹具和下夹具固定超导线的两端，上夹具和下夹具分别插入上夹具座和下夹具座的凹槽中。夹具采用紫铜材料制作，夹具座采用环氧树脂材料制作。
所述的第一电流引线的一端和第二电流引线的一端分别连接到上夹具和下夹具上。
所述的支撑装置包括圆柱管、上法兰盘和下法兰盘。圆柱管安装在真空杜瓦1的端板法兰下，圆柱管穿过加载杆7，与加载杆7同轴。圆柱管的底端通过螺纹连接在上法兰盘上，然后通过3根螺杆连接下法兰盘与上法兰盘。如图2所示，上夹具座在加载杆7的底部，下夹具座安装到下法兰盘的顶面，上下夹具座同轴。
如图3所示，超导线的两端分别焊接在上夹具和下夹具上，超导线表面粘贴应变计，并在超导线两端焊接电压测量引线，如图4所示。如图5所示，在夹具表面粘贴加热器，保温层包裹超导线和夹具。
本发明将超导线采用焊接的方式固定在夹具内，避免引入常规夹具造成的大的挤压应力。夹具装入夹具座的过程中，只需将夹具插入对应的夹具座凹槽内即可。在加载过程中夹具座在受力作用下通过夹具座凹槽内的端面与夹具端面压紧，对超导线施加拉伸载荷，避免引入拉伸载荷外的扭转、弯曲等干扰作用力，不会造成超导线的不可恢复的损伤。此外，测量不同长度的超导线样品，只需要调节上法兰盘和下法兰盘中间的螺杆长度，使上夹具座和下夹具座的相对距离来匹配不同长度的测试样品，因此可以测量不同长度范围和具有大应变量的超导线。
本发明测量装置工作时，制冷机制冷，对真空杜瓦降温。加载杆向上运动，对超导线施加拉伸载荷。应变计测量超导线的应变参数。通过电流引线向超导线馈电，电压测量引线测量超导线两端的电压。保温层保温。加热器对超导线加热，可调节电流功率，调节超导线上的温度，测量不同温度下的超导线的机械拉伸特性和电性能。

Claims (1)

1.一种基于传导冷却的超导线的性能测量装置，其特征在于，所述的装置包括真空杜瓦（1）、温度控制组件、电气组件、支撑装置、夹具和加载杆（7）；温度控制组件、电气组件、支撑装置和夹具置于真空杜瓦（1）内，加载杆（7）布置在真空杜瓦（1）外的中心轴处；超导线通过夹具支撑，布置在真空杜瓦（1）内；真空杜瓦（1）内安装有防辐射屏（2）；温度控制组件通过安装在真空杜瓦（1）外部的制冷机（3）降温，通过导冷带（4）将冷量传导到超导线两端的夹具上，并通过在超导线上安装的温度计测量超导线的温度；
电气组件包括第一电流引线（5）、第二电流引线（6）和电压测量线；电气组件通过夹具连接超导线，第一电流引线（5）和第二电流引线（6）对超导线馈电，电压测量线一端的两个触点连接在超导线两端，另一端连接真空杜瓦外的电压表，测量超导线两端的电压信号，并输出到电压表读取数据；第一电流引线（5）的一端和第二电流引线（6）的一端分别连接上夹具和下夹具，第一电流引线（5）的一端的另一端和第二电流引线（6）的另一端穿出真空杜瓦（1）的端板法兰与外部电源连接；
加载杆（7）穿过真空杜瓦（1）的端板法兰，通过螺纹固定在上夹具座上；加载杆（7）和支撑装置通过夹具固定超导线两端并对超导线施加载荷，超导线上安装应变计测量超导线的应变状态；通过制冷机对超导线降温到临界温度以下，通过加载杆的向上运动，将拉力传递到超导线上，对超导线施加拉伸载荷，应变计测量超导线的应变参数，通过电流引线向超导线馈电，电压测量引线测量超导线两端的电压，测量超导线的机械拉伸热性和电特性，通过上夹具和下夹具表面粘贴的加热器，调节冷却和加热功率，从而控制超导线的温度，保温层包裹超导线和夹具；
所述的加载杆（7）通过焊接波纹管（9）固定在真空杜瓦的端板法兰上，焊接波纹管（9）的两端装有快接密封法兰（8）；
所述的支撑装置包括圆柱管、上法兰盘和下法兰盘；圆柱管安装在真空杜瓦（1）的端板法兰下，圆柱管穿过加载杆（7），与加载杆（7）同轴；圆柱管的底端通过螺纹连接在上法兰盘上，上法兰盘通过螺杆连接下法兰盘；
所述的夹具包括与加载杆底端连接的上夹具座、下夹具座、上夹具和下夹具；下夹具座与支撑装置的下法兰盘连接；上夹具座和下夹具座的中心开有凹槽；上夹具和下夹为具有中心孔的圆柱形，超导线的两端通过焊锡固定在夹具的中心孔内；上夹具和下夹具固定超导线的两端，上夹具和下夹具分别插入上夹具座和下夹具座的凹槽中；
该基于传导冷却的超导线的性能测量装置通过制冷机对超导线降温到临界温度以下，通过加载杆的向上运动，将拉力传递到超导线上，对超导线施加拉伸载荷，应变计测量超导线的应变参数，通过电流引线向超导线馈电，电压测量引线测量超导线两端的电压，测量超导线的机械拉伸热性和电特性，通过上夹具和下夹具表面粘贴的加热器，调节冷却和加热功率，从而控制超导线的温度，保温层包裹超导线和夹具；
由于超导线非常脆弱，常规夹具在对超导线两端夹紧的过程中使超导线两端发生塑性变形，常规的夹具在安装过程中容易引入额外的作用力使超导线发生扭转、弯曲变形，造成超导线的不可恢复的损伤，该基于传导冷却的超导线的性能测量装置将超导线采用焊接的方式固定在夹具内，避免引入大的挤压应力，夹具安装到夹具座内的过程中，只需将夹具插入夹具座对应的凹槽内即可，在加载过程中夹具座在受力作用下通过夹具座凹槽内的端面与夹具端面压紧，对超导线施加拉伸载荷，避免引入拉伸载荷外的干扰作用力，此外，测量不同长度的超导线样品，只需要调节上法兰盘和下法兰盘中间的螺杆长度，使上夹具座和下夹具座的相对距离来匹配不同长度的测试样品，因此可以测量不同长度范围和具有大应变量的超导线。
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