CN111584179A - 一种用于1.5kA高温超导电流引线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于1.5kA高温超导电流引线，能够用于各种运行电流小于1.5kA的超导磁体。该结构由室温端、电绝缘及密封结构、换热器段、过渡段、过渡段与高温超导段之间的温端无氧铜头、高温超导段以及高温超导段与磁体之间的冷端无氧铜头组成。本发明采用变截面变间距翅片换热器利用冷端处密集且较大面积的冷却通道，从而提高换热器的利用效率，解决了换热面积小，流阻大的问题，从而可以更好地实现换热；铜过渡段充当热沉进而提高了引线的安全性能；高温超导段采用性能更优的二代高温超导带材YBCO。本发明具有漏热小、交流损耗小、机械性能高、过载可靠等优点。

Description

一种用于1.5kA高温超导电流引线

技术领域

本发明涉及超导磁体的供电馈线领域，具体涉及一种用于1.5kA高温超导电流引线。

背景技术

因此为超导磁体供电是一个急需解决的问题，早期由于技术、材料限制使用由铜制成的常规电流引线为超导磁体系统提供电力，但是由于铜发热产生的欧姆热以及其热导率较大等问题，需要消耗的大量的液氦进行冷却，从而增加了低温系统的运行成本。由于超导材料在超导温度工作时，能够无阻承载大电流，减少损耗等性能，随着超导材料价格的逐渐降低和性能的不断提高，其应用技术也日趋成熟，因此制成了由铜引线和高温超导引线组成的高温超导电流引线，高温超导电流引线运行在超导态，消除了焦耳热，且由于超导体的热导率很低，从而降低了沿引线从高温区向低温区的传导热流。在铜引线部分，由于缩小了引线两端的温差，其漏热也相应减小。无论是从性能还是成本上都做出极大的改进。

高温超导电流引线是室温电源与低温磁体之间的电连接装置(高温超导指临界温度超过77K)。与常规铜电流引线相比，高温超导电流引线有以下优势：1.由于超导效应使得高温超导电流引线的高温超导段不产生欧姆热。2.高温超导段比铜的热导率要小得多，因此高温超导段的漏热更小。采用高温超导电流引线能够有效降低冷端热负荷，极大的减少氦消耗，进而降低制冷设备投资和运行费用。与第一代高温超导到带材相比，电流引线高温超导段采用二代高温超导带材YBCO，具备高磁场性能更优，交流损耗低，机械性能优于一代Bi-2223超导带等特点；不用Ag包套，从长远看其价格有可能低于Bi-2223超导带，有望在今后大量采用。现有技术存在的问题：

1.采用等截面等间距的翅片换热器虽然其加工制造简单，而且对电流引线过载运行和延长失冷安全时间表现优越的性能，但缺点是其换热面积较小、流组大。

2.传统的采用直管式的氦气出气管不易调节管内外气压差，可能会造成氦气排出不稳定的情况。

3.Bi-2223作为第一代高温超导带材由于其采用银作为包套材料，成本很难进一步下降，且存在机械性能差交流损耗大的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供了一种漏热小、交流损耗小、机械性能高、过载可靠的1.5kA高温超导电流引线。本发明的铜换热器翅片换热器采用变截面变间距设计，靠近冷端的翅片间距小且薄，靠近温端的翅片间距大且厚，这种结构可以利用冷端处密集且较大面积的冷却通道，从而提高换热器的利用效率，解决了换热面积小，流阻大的问题。

本发明采用的室温段内螺旋状通道有益于调节管内外的气压差，解决了氦气排出不稳定的情况。

采用二代高温超导带材YBCO因其高磁场性能更优，交流损耗小等优点，今后必将是高温超导电流引线的更优选择。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于1.5kA高温超导电流引线，包括室温端、电绝缘及密封结构、换热器段、过渡段、过渡段与高温超导段之间的温端无氧铜头、高温超导段、高温超导段与磁体之间的冷端无氧铜头；所述室温端的一端与螺旋状的氦气排气管相连，另一端与换热器段的温端对接；所述电绝缘及密封结构通过台阶定位安装在换热器段的一端外侧；充当热沉作用的过渡段与换热器段冷端连接，接着温端无氧铜头分别与过渡段冷端与高温超导段的温端相连，最后冷端无氧铜头连接高温超导段冷端与低温磁体。

进一步的，所述换热器采用实心铜棒车制成带有多个翅片的结构，每个翅片顶端具有缺口，翅片采用变截面变间距设计，靠近换热器冷端的翅片间距小于靠近温端的翅片间距，靠近冷端的翅片厚度薄于靠近温端的翅片厚度，该结构利用冷端处密集且较大面积的冷却通道，从而提高换热器的利用效率；中心铜棒为电流通道，翅片用于改变气体的流动方向，每个翅片一端车掉一个缺口相邻两个翅片的缺口位置相反，交替变化，用于翅片与翅片之间气流流通；外部采用不锈钢筒或多层不锈钢包绕约束氦气，使得氦气通过缺口进入下一个翅片，气体在翅片中处于紊流流动，实现氦气和导体之间的换热。

进一步的，所述室温端靠近换热器段的一端开有喇叭状的开口，加大氦气进入氦气出气管的流速，室温段内螺旋状的通道用于调节管内外的气压差，方便氦气的排出。

进一步的，所述高温超导段包括不锈钢分流器、高温超导带以及两端的无氧铜头；超导材料为YBCO超导带；超导带支撑结构分流器为不锈钢管，在不锈钢分流器上沿圆周均匀开6个凹槽用于焊接YBCO超导带，将每个槽内并排的3根超导带称为一个panel。

进一步的，所述室温端与换热器段之间通过加工的台阶进行定位并采用钎焊连接；不锈钢法兰与换热器套筒通过氩弧点焊连接。

进一步的，所述电绝缘及密封结构包括有不锈钢室温法兰、不锈钢密封法兰、密封槽、外部绝缘、换热器套筒；绝缘套筒套装在换热器套筒上，不锈钢室温法兰的一端与同心轴的换热器段室温端铜头相连，另一端面与同心轴换热器套筒和绝缘套筒相连，绝缘套筒的另一端与同心轴的不锈钢密封法兰连接，电流引线通过不锈钢室温法兰、绝缘套筒、不锈钢密封法兰实现轴向绝缘；换热器套筒，绝缘套筒以及通过凹槽结构与绝缘套筒相连包裹在最外层的外部绝缘三者构成了径向绝缘。

进一步的，所述超导带与不锈钢分流器凹槽间采用真空钎焊，YBCO超导带平铺在不锈钢分流器凹槽上，带材并列平铺，将带材两头点焊固定。

进一步的，所述过渡段与高温超导段之间通过温端无氧铜头连接，过渡段充当热沉提高引线的安全性能，温端无氧铜头与高温超导段温端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带；所述高温超导段与低温磁体通过冷端无氧铜头连接，冷端无氧铜头与高温超导段冷端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带，另一端沿圆周均匀开30个孔用于连接低温超导子缆。

进一步的，所述换热器段的工作温度范围为室温至截点温度60K，通过采用翅片结构及优化尺寸能够减少漏热，若发生失超，铜过渡段充当热沉进而提高了引线的安全性能。

进一步的，高温超导段的工作温度范围为截点温度至液氦温度4.2K；整个电流引线采用自冷却的冷却形式，低温端的漏热使液氦蒸发，蒸发的氦气冷却上面的电流引线，充分利用了氦气的显热。

换热器段的工作温度范围为室温至截点温度(60K左右)，通过采用翅片结构及优化尺寸能够有效减少漏热。若发生失超，铜过渡段充当热沉进而提高了引线的安全性能；高温超导段的工作温度范围为截点温度至液氦温度附近(4.2K)。由于超导效应使得高温超导电流引线的高温超导段不产生欧姆热并且其热导率很低，故其漏热很小。整个电流引线采用自冷却的冷却形式，低温端的漏热使液氦蒸发，蒸发的氦气冷却上面的电流引线，充分利用了氦气的显热。

本发明最大运行电流为1.5kA，可应用于运行电流小于1.5kA的多种超导磁体。

本发明的优点是：

本发明的铜换热器翅片换热器采用变截面变间距设计，靠近冷端的翅片间距小且薄，靠近温端的翅片间距大且厚，这种结构可以利用冷端处密集且较大面积的冷却通道，从而提高换热器的利用效率，解决了换热面积小，流阻大的问题，从而可以更好地实现换热。若发生失超，铜过渡段可充当热沉提高引线的安全性能；室温段内喇叭状开口以及螺旋状的通道有益于调节管内外的气压差，解决了氦气排出不稳定的问题；电流引线高温超导段采用二代高温超导带材YBCO，具备高磁场性能更优，载流能力强，交流损耗小、机械性能高等优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为换热器段截面示意图；

图3为绝缘密封结构；

图4为不锈钢管的截面示意图；

图5为冷端无氧铜头的结构图。

图中：1-氦气出气管，2-室温端，3-不锈钢室温法兰，4-绝缘套筒，5-密封槽，6-不锈钢密封法兰，7-外部绝缘，8-换热器套筒，9-换热器段，10-过渡段，11-温端无氧铜头，12-高温超导段，13-冷端无氧铜头。

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。

参见附图1及附图3，一种用于1.5kA高温超导电流引线，包括室温端2、电绝缘及密封结构、换热器段9、过渡段10、过渡段与高温超导段之间的温端无氧铜头11、高温超导段12、高温超导段12与磁体之间的冷端无氧铜头13。

所述温端无氧铜头11连接过渡段冷端与高温超导段的温端，冷端无氧铜头13连接高温超导段冷端与低温磁体，室温端2的一端与换热器段9温端连接，另一端连接氦气排气管1。所述电绝缘及密封结构包括有不锈钢室温法兰3、绝缘套筒4、密封槽5、不锈钢密封法兰6、外部绝缘7和换热器套筒8。绝缘套筒4套装在换热器套筒8上，不锈钢室温法兰3的一端与同心轴的室温端2换热器室温铜头相连，另一端面与同心轴换热器套筒8和绝缘套筒4相连，绝缘套筒4的另一端与同心轴的不锈钢密封法兰6连接，电流引线通过不锈钢室温法兰3、绝缘套筒4、不锈钢密封法兰6实现了轴向绝缘。换热器套筒8，绝缘套筒4以及通过凹槽结构与绝缘套筒相连包裹在最外层的外部绝缘7共同构成了径向绝缘。

参见附图2，所述换热器段9采用实心铜棒车制成具有缺口的翅片结构，翅片换热器采用变截面变间距设计，靠近冷端的翅片间距小且薄，靠近温端的翅片间距大且厚，这种结构可以更好地实现换热。中心铜棒为电流通道，翅片用于改变气体的流动方向，翅片一端交替的车掉小缺口，相邻两个翅片的缺口位置相反，交替变化，用于翅片与翅片之间气流流通，外部采用不锈钢筒或多层不锈钢包绕约束氦气必须通过切口进入下一个翅片，气体在翅片中处于紊流流动，实现氦气和导体之间的换热。

参见附图4，所述高温超导电流引线的高温超导段12包括不锈钢分流器、高温超导带以及两端的无氧铜头。超导材料选择YBCO超导带，其尺寸为4×0.12mm。超导带支撑结构分流器选择

的不锈钢管，在不锈钢分流器上沿圆周均匀开6个宽13mm、深1mm的凹槽用于焊接YBCO超导带，将每个槽内并排的3根超导带称为一个panel。

所述超导带与不锈钢分流器凹槽间采用真空钎焊，YBCO超导带平铺在不锈钢分流器凹槽上，带材并列平铺，将带材两头点焊固定。

参见附图3，所述室温端2与换热器段9之间通过加工的台阶进行定位并采用钎焊连接。

参见附图1和附图5，所述过渡段10与高温超导段12之间通过温端无氧铜头11连接，过渡段充当热沉进而提高引线的安全性能，温端无氧铜头11与高温超导段温端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带；所述高温超导段12与低温超导磁体通过冷端无氧铜头13连接，冷端无氧铜头13与高温超导段冷端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带，另一端沿圆周均匀开30个φ5mm、深5mm的孔用于连接低温超导子缆。

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 (10)

1.一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：包括室温端、电绝缘及密封结构、换热器段、过渡段、过渡段与高温超导段之间的温端无氧铜头、高温超导段、高温超导段与磁体之间的冷端无氧铜头；所述室温端的一端与螺旋状的氦气排气管相连，另一端与换热器段的温端对接；所述电绝缘及密封结构通过台阶定位安装在换热器段的一端外侧；充当热沉作用的过渡段与换热器段冷端连接，接着温端无氧铜头分别与过渡段冷端与高温超导段的温端相连，最后冷端无氧铜头连接高温超导段冷端与低温磁体。

2.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述换热器采用实心铜棒车制成带有多个翅片的结构，每个翅片顶端具有缺口，翅片采用变截面变间距设计，靠近换热器冷端的翅片间距小于靠近温端的翅片间距，靠近冷端的翅片厚度薄于靠近温端的翅片厚度；中心铜棒为电流通道，翅片用于改变气体的流动方向，每个翅片一端车掉一个缺口相邻两个翅片的缺口位置相反，交替变化，用于翅片与翅片之间气流流通；外部采用不锈钢筒或多层不锈钢包绕约束氦气，使得氦气通过缺口进入下一个翅片，气体在翅片中处于紊流流动，实现氦气和导体之间的换热。

3.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述室温端靠近换热器段的一端开有喇叭状的开口，加大氦气进入氦气出气管的流速，室温段内螺旋状的通道用于调节管内外的气压差，方便氦气的排出。

4.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述高温超导段包括不锈钢分流器、高温超导带以及两端的无氧铜头；超导材料为YBCO超导带；超导带支撑结构分流器为不锈钢管，在不锈钢分流器上沿圆周均匀开6个凹槽用于焊接YBCO超导带，将每个槽内并排的3根超导带称为一个panel。

5.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述室温端与换热器段之间通过加工的台阶进行定位并采用钎焊连接；不锈钢法兰与换热器套筒通过氩弧点焊连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述电绝缘及密封结构包括有不锈钢室温法兰、不锈钢密封法兰、密封槽、外部绝缘、换热器套筒；绝缘套筒套装在换热器套筒上，不锈钢室温法兰的一端与同心轴的换热器段室温端铜头相连，另一端面与同心轴换热器套筒和绝缘套筒相连，绝缘套筒的另一端与同心轴的不锈钢密封法兰连接，电流引线通过不锈钢室温法兰、绝缘套筒、不锈钢密封法兰实现轴向绝缘；换热器套筒，绝缘套筒以及通过凹槽结构与绝缘套筒相连包裹在最外层的外部绝缘三者构成了径向绝缘。

7.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述超导带与不锈钢分流器凹槽间采用真空钎焊，YBCO超导带平铺在不锈钢分流器凹槽上，带材并列平铺，将带材两头点焊固定。

8.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述过渡段与高温超导段之间通过温端无氧铜头连接，过渡段充当热沉提高引线的安全性能，温端无氧铜头与高温超导段温端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带；所述高温超导段与低温磁体通过冷端无氧铜头连接，冷端无氧铜头与高温超导段冷端相连的一端加工出与不锈钢分流器相对应的6个凹槽用于焊接超导带，另一端沿圆周均匀开30个孔用于连接低温超导子缆。

9.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：所述换热器段的工作温度范围为室温至截点温度60K，通过采用翅片结构及优化尺寸能够减少漏热，若发生失超，铜过渡段充当热沉进而提高了引线的安全性能。

10.根据权利要求1所述的一种用于1.5kA高温超导电流引线，其特征在于：高温超导段的工作温度范围为截点温度至液氦温度4.2K；整个电流引线采用自冷却的冷却形式，低温端的漏热使液氦蒸发，蒸发的氦气冷却上面的电流引线，充分利用了氦气的显热。

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