CN111863287B - 一种大型超导磁体机械操作的超导开关 - Google Patents
一种大型超导磁体机械操作的超导开关 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大型超导磁体机械操作的超导开关,包括有低温容器(1),绝缘压块(2),第一嵌入环(3),第一波纹管(4),第二波纹管(5),第二嵌入环(6),第一超导缆绝缘层(7),第一超导缆(8),第二超导缆(9),第二超导缆绝缘层(10),第三嵌入环(11),12‑弹簧(12),13‑螺栓组件(13),上不锈钢板(14),15‑上铜块(15),16‑下铜块(16),下不锈钢板(17),第一绝缘支撑(18),第二绝缘支撑(19);超导缆分别锡焊到上下铜块内,绝缘压块及弹簧螺栓组件控制上下铜块的闭合与分开,波纹管具有一定的柔性,便于上铜块的上下移动,嵌入环配合绝缘结构具有真空隔断和高压绝缘性能。
Description
技术领域
本发明涉及磁约束聚变以及大型超导磁体领域,具体涉及一种大型超导磁体机械操作的超导开关。
背景技术
热核聚变将为人类提供取之不尽的清洁能源,国际热核聚变试验堆(ITER)计划将在未来十年内建成。超导磁体为托克马克装置提供所需磁场,以达到控制和约束高温等离子体的目的。超导磁体的运行有两种基本模式,即电源供电模式和闭环运行模式。在电源供电模式中,超导磁体的供电电源是低压大电流的稳压或稳流电源,为保证超导磁体稳定地工作,一般要求电源的纹波比要小,可以缓慢而均匀地调节,尤其是不应有明显的抖动,这种模式适用于运行时间较短,对磁场稳定度要求不高,励磁和退磁操作较频繁的工况。闭环运行模式是在超导磁体的两端并联一个超导开关,使磁体在无损耗或磁场衰减很慢的状态下运行,从而与外部电源脱离,这种模式适用于运行时间较长,对磁场稳定度要求较高,励磁和退磁操作较少的工况。与电源供电模式相比,闭环运行模式的超导磁体具有很多优点,例如,可以获得极高的磁场稳定度,在持久电流运行期间与外部电源脱离,节约了电能并减少了液氦的消耗,降低了运行费用等。
想要达到磁体的闭环运行,需要设计相应的超导开关,根据实现超导开关导通与断开的方式,可以将超导开关分为三种类型:热控式、磁控式和机械式。由于磁约束聚变所涉及的超导磁体为巨型超导磁体,因此该类超导开关设计同时还需要考虑到超导磁体能量的快速释放,高压绝缘,足够小的超导接头电阻、涡流损耗和操作空间等因素,因此该类超导开关设计难度极大。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种大型超导磁体机械操作的超导开关,该超导开关可以快速实现通断,并且断开电阻无限大,从而可以实现超导磁体从闭环运行模式和电源供电模式的快速完全切换,使能量在电流引线上进行释放,解决了超导磁体在闭环运行时发生失超的能量释放问题,同时该超导开关具有高压绝缘,低超导接头电阻及涡流损耗等性能,同时该超导开关建议安装在电流引线的低温超导段位置,解决操作空间受限等因素。
本发明采用的技术方案如下:
一种大型超导磁体机械操作的超导开关,包括有低温容器(1),绝缘压块(2),第一嵌入环(3),第一波纹管(4),第二波纹管(5),第二嵌入环(6),第一超导缆绝缘层(7),第一超导缆(8),第二超导缆(9),第二超导缆绝缘层(10),第三嵌入环(11),弹簧(12),螺栓组件(13),上不锈钢板(14),上铜块(15),下铜块(16),下不锈钢板(17),第一绝缘支撑(18),第二绝缘支撑(19);
所述低温容器(1)的上端开有孔,绝缘压块(2)安装在低温容器(1)的上端孔内,低温容器(1)的右侧开有上下两个孔,第一超导缆(8)及其第一超导缆绝缘层(7)安装在低温容器(1)的上孔内,第二超导缆(9)及其第二超导缆绝缘层(10)安装在低温容器(1)的下孔内,绝缘压块(2)与上不锈钢板(14)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)与上铜块(15)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下铜块(16)与下不锈钢板(17)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下不锈钢板(17)与第一绝缘支撑(18)和第二绝缘支撑(19)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)和下不锈钢板(17)通过四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)固定在一起;
进一步的,第一嵌入环(3)安装在绝缘压块(2)上,第一波纹管(4)的两端分别与低温容器(1)和第一嵌入环(3)焊接,第二嵌入环(6)安装在第一超导缆绝缘层(7)上,第二波纹管(5)的两端分别与低温容器(1)和第二嵌入环(6)焊接,第三嵌入环(11)安装在第二超导缆绝缘层(10)上,第三嵌入环(11)另一侧与低温容器(1)焊接;
进一步的,所述上铜块(15)的下端开设有多个孔;包括冷却孔和超导缆焊接孔,第一超导缆(8)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在上铜块(15)的多个超导缆焊接孔内;
所述下铜块(16)的上端开设有多个孔,包括冷却孔和超导缆焊接孔,第二超导缆(9)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在下铜块(16)的多个超导缆焊接孔内;
进一步的,所述上铜块(15)和下铜块(16)的贴合面为多层台阶状,且分别倒圆角;上铜块(15)和下铜块(16)上分别开有冷却孔和超导缆焊接孔;
进一步的,低温容器(1)上侧口焊接有第一波纹管(4)结构,能够于绝缘压块(2)的上下移动,低温容器(1)右侧口焊接有第二波纹管(5)结构,能便于上铜块(15)的上下移动;
进一步的,第二嵌入环(6)内侧埋在第一超导缆绝缘层(7)内部固定,外层与第二波纹管(5)焊接;
进一步的,还包括有多组弹簧(12)和螺栓组件(13);
进一步的,当超导磁体励磁时,为电源供电模式,超导开关的上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下分开,断开电阻接近无限大,实现完全超导磁体的电源供电模式;
进一步的,当超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在绝缘压块(2)的压力下,上下铜面完全贴合,能实现超导磁体的闭环运行模式;
进一步的,闭环运行过程中,如果超导磁体电流损失过大,电源系统能够在闭环运行模式下给磁体补电;闭环运行模式下,当超导磁体发生失超时,超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下快速分开,切换到电源供电模式,磁体能量通过电流引线实现快速释放。
本发明相对于现有技术的优点是:
1、该超导开关可以快速实现通断,并且断开电阻无限大,从而可以实现超导磁体从闭环运行模式和电源供电模式的快速完全切换,使能量在电流引线上进行释放,解决了超导磁体在闭环运行时发生失超的能量释放问题。
2、该超导开关具有高压绝缘,低超导接头电阻及涡流损耗等性能,便于磁体长时间闭环安全运行。
3、该超导开关建议安装在线圈终端盒位置,和电流引线的低温超导段连接,该位置磁场强度较小,磁场变化率较低,操作空间充足。
附图说明
图1为本发明的外观结构示意图;
图2为本发明的内部结构示意图;
图3为本发明接头搭接部位示意图;
图4为本发明接头搭接截面示意图;
图5为本发明第一超导缆的嵌入环段截面示意图。
其中,图中标号:1-低温容器,2-绝缘压块,3-第一嵌入环,4-第一波纹管,5-第二波纹管,6-第二嵌入环,7-第一超导缆绝缘层,8-第一超导缆,9-第二超导缆,10-第二超导缆绝缘层,11-第三嵌入环,12-弹簧,13-螺栓组件,14-上不锈钢板,15-上铜块,16-下铜块,17-下不锈钢板,18-第一绝缘支撑,19-第二绝缘支撑。
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和图2,一种大型超导磁体机械操作的超导开关,包括有1-低温容器,2-绝缘压块,3-第一嵌入环,4-第一波纹管,5-第二波纹管,6-第二嵌入环,7-第一超导缆绝缘层,8-第一超导缆,9-第二超导缆,10-第二超导缆绝缘层,11-第三嵌入环,12-弹簧,13-螺栓组件,14-上不锈钢板,15-上铜块,16-下铜块,17-下不锈钢板,18-第一绝缘支撑,19-第二绝缘支撑。
附图1,低温容器(1)的上端开有孔,绝缘压块2安装在低温容器(1)的上端孔内,第一嵌入环(3)安装在绝缘压块(2)上,第一波纹管(4)的两端分别与低温容器(1)和第一嵌入环(3)焊接。低温容器(1)的右侧上下开有两个孔,第一超导缆(8)及其第一超导缆绝缘层(7)安装在低温容器(1)的上孔内,第二嵌入环(6)安装在第一超导缆绝缘层(7)上,第二波纹管(5)的两端分别与低温容器(1)和第二嵌入环(6)焊接。第二超导缆(9)及其第二超导缆绝缘层(10)安装在低温容器(1)的下孔内,第三嵌入环(11)安装在第二超导缆绝缘层(10)上,第三嵌入环(11)另一侧与低温容器(1)焊接。
附图2,绝缘压块(2)与上不锈钢板(14)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)与上铜块(15)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下铜块(16)与下不锈钢板(17)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下不锈钢板(17)与第一绝缘支撑(18)和第二绝缘支撑(19)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)和下不锈钢板(17)通过四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)弹性固定在一起。
附图3,上铜块(15)的下端开设有多个孔;包括冷却孔和超导缆焊接孔,第一超导缆(8)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在上铜块(15)的多个超导缆焊接孔内;下铜块(16)的上端开设有多个孔,包括冷却孔和超导缆焊接孔,第二超导缆(9)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在下铜块(16)的多个超导缆焊接孔内。
附图4为上铜块(15)和下铜块(16)的搭接截面图,上下铜块的贴合面为多层台阶状,且分别倒圆角,图中示意出上铜块(15)和下铜块(16)上分别开有冷却孔和超导缆焊接孔。
附图5,第二嵌入环(6)内侧埋在第一超导缆绝缘层(7)内部固定,外层与第二波纹管(5)焊接。
本发明的超导开关的操作说明如下:
当超导磁体励磁时,为电源供电模式,超导开关的上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下分开,断开电阻接近无限大,可以实现完全超导磁体的电源供电模式。
当超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在绝缘压块(2)的压力下,上下铜面完全贴合,可以实现超导磁体的闭环运行模式,该超导开关具有高压绝缘,低超导接头电阻及涡流损耗等性能,便于磁体长时间闭环安全运行。闭环运行过程中,如果超导磁体电流损失过大,电源系统可以在闭环运行模式下给磁体补电。
闭环运行模式下,当超导磁体发生失超时,为了实现达到超导磁体能量的快速释放,超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下快速分开,切换到电源供电模式,磁体能量通过电流引线实现快速释放。
该超导开关建议安装在线圈终端盒位置,和电流引线的低温超导段连接,该位置磁场强度较小,磁场变化率较低,操作空间充足。
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 (1)
1.一种大型超导磁体机械操作的超导开关,其特征在于:
包括有低温容器(1),绝缘压块(2),第一嵌入环(3),第一波纹管(4),第二波纹管(5),第二嵌入环(6),第一超导缆绝缘层(7),第一超导缆(8),第二超导缆(9),第二超导缆绝缘层(10),第三嵌入环(11),弹簧(12),螺栓组件(13),上不锈钢板(14),上铜块(15),下铜块(16),下不锈钢板(17),第一绝缘支撑(18),第二绝缘支撑(19);
所述低温容器(1)的上端开有孔,绝缘压块(2)安装在低温容器(1)的上端孔内,低温容器(1)的右侧开有上下两个孔,第一超导缆(8)及其第一超导缆绝缘层(7)安装在低温容器(1)的上孔内,第二超导缆(9)及其第二超导缆绝缘层(10)安装在低温容器(1)的下孔内,绝缘压块(2)与上不锈钢板(14)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)与上铜块(15)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下铜块(16)与下不锈钢板(17)焊接在一起或者通过螺栓连接在一起,下不锈钢板(17)与第一绝缘支撑(18)和第二绝缘支撑(19)通过螺栓固定在一起,上不锈钢板(14)和下不锈钢板(17)通过四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)固定在一起;
第一嵌入环(3)安装在绝缘压块(2)上,第一波纹管(4)的两端分别与低温容器(1)和第一嵌入环(3)焊接,第二嵌入环(6)安装在第一超导缆绝缘层(7)上,第二波纹管(5)的两端分别与低温容器(1)和第二嵌入环(6)焊接,第三嵌入环(11)安装在第二超导缆绝缘层(10)上,第三嵌入环(11)另一侧与低温容器(1)焊接;
所述上铜块(15)的下端开设有多个孔;包括冷却孔和超导缆焊接孔,第一超导缆(8)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在上铜块(15)的多个超导缆焊接孔内;
所述下铜块(16)的上端开设有多个孔,包括冷却孔和超导缆焊接孔,第二超导缆(9)的末端被分为一些子缆,各个子缆分别锡焊在下铜块(16)的多个超导缆焊接孔内;
所述上铜块(15)和下铜块(16)的贴合面为多层台阶状,且分别倒圆角;上铜块(15)和下铜块(16)上分别开有冷却孔和超导缆焊接孔;
低温容器(1)上侧口焊接有第一波纹管(4)结构,能够于绝缘压块(2)的上下移动,低温容器(1)右侧口焊接有第二波纹管(5)结构,能便于上铜块(15)的上下移动;
第二嵌入环(6)内侧埋在第一超导缆绝缘层(7)内部固定,外层与第二波纹管(5)焊接;
还包括有多组弹簧(12)和螺栓组件(13);
当超导磁体励磁时,为电源供电模式,超导开关的上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下分开,断开电阻接近无限大,实现完全超导磁体的电源供电模式;
当超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在绝缘压块(2)的压力下,上下铜面完全贴合,能实现超导磁体的闭环运行模式;
闭环运行过程中,如果超导磁体电流损失过大,电源系统能够在闭环运行模式下给磁体补电;闭环运行模式下,当超导磁体发生失超时,超导开关上铜块(15)和下铜块(16)在四组弹簧(12)和四组螺栓组件(13)及绝缘压块(2)的牵引下快速分开,切换到电源供电模式,磁体能量通过电流引线实现快速释放。
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