CN113948223A - 连接接头、环向场线圈及聚变反应装置 - Google Patents

Abstract

本公开涉及聚变反应技术领域，提供了一种连接接头、环向场线圈及聚变反应装置。该连接接头包括第一接头本体和第二接头本体，第一接头本体与第二接头本体之间通过多根间隔设置的柔性导电带连接，柔性导电带的长度大于第一接头本体靠近柔性导电带的一端和第二接头本体靠近柔性导电带的一端之间的距离。该环向场线圈包括中心柱、外臂和连接接头。该聚变反应装置包括多匝环向场线圈。本公开的连接接头包括柔性导电带、第一接头本体和第二接头本体，且柔性导电带的长度具有一定的余量，中心柱和外臂发生相对位移时，柔性导电带的形状产生相应的改变，进而适应外臂相对于中心柱发生位移时的位置变化，进而避免连接接头损坏，降低安全危险。

Description

连接接头、环向场线圈及聚变反应装置

技术领域

本公开涉及聚变反应技术领域，尤其涉及一种连接接头、环向场线圈及聚变反应装置。

背景技术

球形托卡马克由于等离子体环大小半径接近，其中心圆孔变得很小。在该孔中，除去容纳真空室壁以外，还要穿过环向场线圈。基于这个特点，球形托卡马克的环向场线圈不同于传统托卡马克，球形托卡马克的环向场线圈包括多匝单独的能够形成闭合回路的线圈。每一匝线圈做成可拆卸的，由中心柱和外臂连接组成完整的线圈回路。

当球形托卡马克工作时，环向场线圈总电流可达几个MA，单匝线圈电流可达百kA量级，磁场强度达到几个T，会产生非常大的电磁场，极向场线圈电流和等离子体电流会对环向场线圈产生电磁力，使得环向场线圈中心柱受到扭转力，外臂受到相对中心柱向外扩张力和扭转力。另外工作时，大电流会使中心柱和外臂温度升高，二者的长度会变长，因中心柱和外臂成夹角或互相垂直，从而使得环向场线圈的中心柱和外臂之间产生相对位移。可见，电磁力和温度变化的共同作用使每一匝线圈用于连接中心柱和外臂的接头受力巨大，导致接头容易被损坏，带来环向场线圈融毁的危险。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种连接接头、环向场线圈及聚变反应装置。

本公开提供的连接接头包括用于与中心柱连接的第一接头本体和用于与外臂连接的第二接头本体，第一接头本体与第二接头本体之间通过多根柔性导电带连接，多个柔性导电带间隔设置，柔性导电带的长度大于第一接头本体靠近柔性导电带的一端和第二接头本体靠近柔性导电带的一端之间的距离。

可选的，柔性导电带弯曲设置。

可选的，柔性导电带呈S形或Ω形，且多个柔性导电带沿着中心柱的形变方向间隔设置。

可选的，柔性导电带的长度余量大于中心柱和外臂的最大变形量。

可选的，第一接头本体和第二接头本体均包括靠近柔性导电带的固定端与远离柔性导电带的连接端，固定端包括间隔设置的多个用于安装柔性导电带的固定台。

可选的，固定台设有用于容纳柔性导电带端部的敞口。

可选的，固定台至少包括四个与柔性导电带固定的焊接面。

可选的，当柔性导电带呈S形时，多个固定台呈阶梯状分布；当柔性导电带呈Ω形时，多个固定台沿着中心柱的形变方向间隔设置。

本公开提供的环向场线圈包括中心柱和外臂，外臂的两端对应的通过如上所述的连接接头与中心柱的两端连接。

可选的，中心柱的底端固定，中心柱的顶端通过柔性导电带呈S形的连接接头与外臂的对应端连接；中心柱的底端通过柔性导电带呈Ω形的连接接头与外臂的对应端连接。

本公开提供的聚变反应装置包括多匝如上所述的环向场线圈。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

(1)连接接头包括柔性导电带、第一接头本体和第二接头本体，且柔性导电带的长度具有一定的余量，中心柱和外臂发生相对位移时，柔性导电带的形状产生相应的改变，进而适应外臂相对于中心柱发生位移时的位置变化，进而避免连接接头损坏，降低安全危险。

(2)连接接头尺寸紧凑，能够安装于预留的狭小空间内，具有尺寸紧凑、结构可靠、强度高的优点。

(3)柔性导电带为间隔设置的多个，其中，柔性导电带为电流起分散作用，接头本体为电流起汇集作用，多根柔性导电带互相替代，其中一根柔性导电带的焊接点出现问题，电阻升高后，相应的电流会转向其余柔性导电带，避免局部出现大温升，造成接头烧毁，同时该种设计方式降低单根制作和焊接的工艺难度，减少单根柔性导电带的尺寸，且在焊接加工时，可一根根单独焊接柔性导电带。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所述连接接头的柔性导电带设置成S形的示意图；

图2为本公开实施例所述S形柔性导电带位置和形状变化的示意图；

图3为本公开实施例所述连接接头的柔性导电带设置成Ω形的示意图；

图4为本公开实施例所述Ω形柔性导电带位置和形状变化的示意图；

图5为本公开实施例所述第一接头本体的示意图；

图6为本公开实施例所述柔性导电带焊接位置的示意图；

图7为本公开实施例所述环向场线圈的部分示意图。

其中，1、连接接头；11、第一接头本体；12；第二接头本体；13、柔性导电带；14、固定端；a、第一焊接面；b、第二焊接面；c、第三焊接面d、第四焊接面；15、连接端；2、中心柱；3、外臂；4、固定台；5、螺栓；6、销钉；7、销钉套；8、垫板。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

结合图1和图3所示，本申请实施例提供的连接接头包括用于与中心柱2连接的第一接头本体11和用于与外臂3连接的第二接头本体12，第一接头本体11与第二接头本体12之间通过多根柔性导电带13连接。其中，该处的柔性导电带13是指柔性较好且具有高导电特性的材质，且柔性是指柔性导电带13本身不容易发生塑性变形，但其形状容易发生改变。且柔性导电带13的数量根据实际需求进行设定。

柔性导电带13可由铜箔带、金箔带或银箔带等高导电性箔带制成，其中，由于铜箔带的经济性较好，因此，通常选用铜箔带制造柔性导电带13。具体地，铜箔带可由多层铜箔组成，即将多层铜箔相对应的端部焊接在一起，进而使得多个铜箔形成铜箔带，实现柔性导电带13的柔性化。另外，柔性导电带13也可由多根导线压平形成，可见，柔性导电带13的具体组成方式不受限制，只要能够满足变形效果和高导电性能即可。

结合图1和图3所示，多个柔性导电带13间隔设置，且各个柔性导电带13的形状相同，柔性导电带13的截面积充分满足导电需求。柔性导电带13的长度大于靠近柔性导电带13的一端和第二接头本体12靠近柔性导电带13的一端之间的距离。具体地，该处的第一接头本体11和第二接头本体12之间的距离是指柔性导电带13和第一接头本体11的连接位置与柔性导电带13和第二接头本体12的连接位置之间的距离，并非指第一接头本体11和第二接头本体12之间的垂直距离。

柔性导电带13为间隔设置的多个，其中，柔性导电带13为电流起分散作用，接头本体为电流起汇集作用，多根柔性导电带13互相替代，其中一根柔性导电带13的焊接点出现问题，电阻升高后，相应的电流会转向其余柔性导电带13，避免局部出现大温升，造成接头烧毁。且该种设计方式降低单根制作和焊接的工艺难度，减少单根柔性导电带13的尺寸，且在焊接加工时，可一根根单独焊接柔性导电带13。

柔性导电带13可弯曲、弯折或者部分位置折叠，其中，倘若柔性导电带13采用弯折的设置方式，当柔性导电带13逐渐拉直时，需克服柔性导电带13弯折位置的张力，且弯折位置反复摆动，容易出现断裂现象。同理，倘若柔性导电带13的部分位置处折叠，也会出现上述问题。因此，本申请优选地将柔性导电带13弯曲设置，且弯曲方向根据柔性导电带13的实际设置位置进行设定。

该种设计方式使得柔性导电带13连接第一接头本体11和第二接头本体12后有一定的余量，避免外臂3相对于中心柱2发生位移时，柔性导电带13的形状产生相应的改变，进而适应外臂3相对于中心柱2发生位移时的位置变化，进而避免连接接头1损坏，降低安全危险。且连接接头1尺寸紧凑，能够安装于预留的狭小空间内，具有尺寸紧凑、结构可靠、强度高的优点。具体地，当中心柱2和外臂3的相对位置发生变化时，第一接头本体11和第二接头本体12之间的距离发生改变，进而使得柔性导电带13逐渐拉直，即柔性导电带13的弯曲程度逐渐减少。其中，柔性导电带13的长度余量大于中心柱2和外臂3的最大变形量，避免柔性导电带13受力损坏，确保连接接头1使用的安全性。相邻两个柔性导电带13之间的距离应满足任意一个柔性导电带13的形状改变所占用的空间，避免相邻的两个柔性导电带13之间相互影响。

本公开的柔性导电带13的形状根据中心柱2与外臂3相对位移方向和所受电磁力方向进行设计，且柔性导电带13的弯曲程度根据所受力的大小进行设计，使得当柔性导电带13在相应位置处于最大变形状态时，也不会产生塑性变形。

结合图1和图3所示，在一些实施例中，柔性导电带13呈S形或Ω形，且多个柔性导电带13沿着中心柱2的形变方向间隔设置。其中，如图1所示，该处的S形并非指绝对的S形状，而是指柔性导电带13的两端分别朝向两个方向弯曲，且弯曲半径根据具体需求进行设计。同理，如图3所示，该处的Ω形也并非指绝对意义上的Ω形，而是指柔性导电带13的中部朝向一侧凸起，且其凸起的程度也需根据实际需求进行设计。在另一些实施例中，柔性导电带13也可采用其他形状，其只要满足相应的变形需求即可。

结合图1和图2所示，当柔性导电带13呈S形时，中心柱2与外臂3相对位移方向垂直于柔性导电带13，且柔性导电带13的尺寸依据所承受与其垂直方向的位移和电磁力来设计。S形柔性导电带13的移动过程如下：

图2所示，柔性导电带13在初始位置状态时其中间部分为圆弧，且圆弧形半径为R1，当中心柱2的长度增加时，第一接头本体11的位置发生变化，而第二接头本体12的位置不变，因此第一接头本体11带动柔性导电带13的端部移动，柔性导电带13中间部位的圆弧产生变形，且其最大移动位置处的柔性导电带13的半径为R2，为了实现移动过程前后，半径为R1时对应的柔性导电带13的长度和半径为R2时柔性导电带13的长度保持不变，第一接头本体11最大的移动距离为△L。且△L的尺寸范围要求大于或等于理论的中心柱2相对于外臂3的最大位移距离。其中，具体的柔性导电带13的半径尺寸则是根据所承受与其垂直方向的位移和电磁力来设计的。

结合图3和图4所示，当柔性导电带13呈Ω形时，中心柱2与外臂3相对位移方向与柔性导电带13的长度方向平行，且柔性导电带13的尺寸依据所承受与其平行方向的位移和电磁力来设计。其中，该处的柔性导电带13的长度方向是指柔性导电带13非凸起部位的长度方向。Ω形柔性导电带13的移动过程如下：

如图4所示，柔性导电带13在初始位置状态时其中间部分为圆弧，且圆弧形半径为L1，第二接头本体12朝向远离中心柱2的方向移动，进而带动柔性导电带13的位置发生变化，柔性导电带13中间部位的圆弧产生变形，且其最大移动位置处柔性导电带13的半径为L2，为了实现移动过程前后，半径为L1时对应的柔性导电带13的长度和半径为L2时柔性导电带13的长度保持不变，第二接头本体12最大的移动距离为△L。且△L的尺寸范围要求大于或等于理论的外臂3相对于中心柱2的最大位移距离。其中，具体的柔性导电带13的半径尺寸则是根据所承受与其垂直方向的位移和电磁力来设计的。

在另一些实施例中，在上述内容基础上，柔性导电带13与第一接头本体11连接的一端朝向第二接头本体12弯曲，柔性导电带13与第二接头本体12连接的一端朝向第一接头本体11弯曲。

具体地，当柔性导电带13呈S形时，倘若柔性导电带13与第一接头本体11连接的一端背离第二接头本体12弯曲，当第一接头本体11跟随中心柱2移动时，柔性导电带13在移动过程中出现弯折，柔性导电带13在反复移动过程中容易损坏，降低柔性导电带13的使用寿命。

当柔性导电带13呈Ω形时，倘若柔性导电带13与第一接头本体11连接的一端背离第二接头本体12弯曲，将会使得柔性导电带13的弯曲部分朝向第一接头本体11的方向突出，增加了柔性导电带13占用空间。

可见，柔性导电带13的设置方式有效减少空间占用，同时，确保了连接接头1的使用寿命。

如图5所示，第一接头本体11和第二接头本体12均包括靠近柔性导电带13的固定端14与远离柔性导电带13的连接端15，具体地，固定端14与柔性导电带13固定连接，第一接头本体11上的连接端15与中心柱2可拆卸连接，第二接头本体12上的连接端15与外臂3可拆卸连接。固定端14包括间隔设置的多个用于安装柔性导电带13的固定台4，柔性导电带13的端部固定在固定台4上。

进一步优化地，固定台4设有用于容纳柔性导电带13端部的敞口。安装时，柔性导电带13的端部插入到敞口位置处，如图6所示，为了增加牢固性，将柔性导电带13与固定台4的连接位置处焊接。

进一步优化地，如图5所示，固定台4至少包括四个与柔性导电带13固定的焊接面。具体地，固定台4设有用于容纳柔性导电带13端部的敞口，且固定台4的至少一个侧壁敞开，使得柔性导电带13插入到固定台4的内部时，至少一个侧壁露出。优选地，处于中间位置的固定台4的一侧敞开，使得柔性导电带13的一个侧壁露出；处于边部的固定台4的两侧敞开，使得柔性导电带13的两个侧壁露出。柔性导电带13露出的侧壁与固定台4之间形成焊接位置，进而增加焊接面积，降低接触电阻，增加电流通路备份，降低发热与损坏的几率，安全性能提高。

如图5所示，该种设计方式使得固定台4的多个内壁相互垂直，且固定台4的侧壁和该侧壁的端面之间也相互垂直，进而使得固定台4形成第一焊接面a、第二焊接面b、第三焊接面c和第四焊接面d。其中，第一焊接面a由固定台4的侧壁的端面形成，第二焊接面b、第三焊接面c和第四焊接面d分别由固定台4的各个内壁所处的平面形成。各焊接面主要承受与其垂直的电磁力，使其能够有效抵抗大电流情况下电磁力的影响，提高安全性能，增大与柔性导电带13的焊接面积，从而降低接触电阻值，并且增强柔性导电带13与第一接头本体11与第二接头本体12的焊接强度。

进一步优化地，结合图1和图5所示，当柔性导电带13呈S形时，多个固定台4呈阶梯状分布。由于柔性导电带13具有一定的厚度，因此，当柔性导电带13的形状发生变化时，柔性导电带13的两侧相同位置的变化量不同，且柔性导电带13弯曲，柔性导电带13的形状从弯曲位置处发生改变。因此，倘若将各个柔性导电带13的端部平齐设置，那么，当多个柔性导电带13沿着垂直其长度方向同步变形时，相邻的两个柔性导电带13的弯曲部分容易发生接触，影响导电效果。因此，本申请的多个固定台4呈阶梯状分布，使得相邻两个柔性导电带13的端部错开，进而使得相邻两个柔性导电带13相对面的变形量相同，防止相邻两个柔性导电带13接触。

具体地，为了便于描述，将其中一个柔性导电带13称为第一柔性导电带，与其相邻的另一个柔性导电带13称为第二柔性导电带。通过该种设计方式使得第一柔性导电带朝向第二柔性导电带的一侧与第二柔性导电带朝向第一柔性导电带的一侧的变形量相同，进而使得第一柔性导电带和第二柔性导电带之间的距离始终相同。

如图3所示，当柔性导电带13呈Ω形时，且柔性导电带13所处位置受到沿着其长度方向的力时，多个固定台4沿着中心柱2的形变方向间隔设置，使得各个Ω形柔性导电带13的端部平齐即可。

如图7所示，本公开还提供了一种环向场线圈，包括中心柱2和外臂3，外臂3的两端对应的通过如上所述的连接接头1与中心柱2的两端连接。该处的连接结构具有上述连接接头1的全部技术特征，因此，在此并未做过多的描述。

通过连接接头1使得中心柱2进而外臂3形成完整的回路(图7未完全体现)，而且能够避免因电磁力和温度变化造成中心柱2和外臂3发生相对位移而产生连接接头1容易被损坏的安全危险。

本申请以通过铜箔带制成柔性导电带13为例，环向场线圈在制作时，首先将多层铜箔的两端焊接在一起，形成一条铜箔带，再将铜箔带的两端分别焊接在第一接头本体11和第二接头本体12上，最后将第一接头本体11和第二接头本体12分别与中心柱2和外臂3连接。

环向场线圈在使用过程中，中心柱2和外臂3均与真空室连接，或者中心柱2和外臂3通过独立支撑结构固定。具体地，中心柱2的一端固定在独立支撑结构上，另一端为自由端，因此，当中心柱2受到电磁力和高温的影响，其长度发生变化时，中心柱2的自由端的长度发生改变，即中心柱2的自由端与外臂3之间的相对距离发生改变。以下为了便于描述，将中心柱2的固定端称为底端，将中心柱2的自由端称为顶端。外臂3在电磁力的作用下，其与中心柱2的底端连接的一端具有朝向远离中心柱2的方向运动的趋势。因此，中心柱2的顶端通过柔性导电带13呈S形的连接接头1与外臂3的对应端连接。中心柱2的底端通过柔性导电带13呈Ω形的连接接头1与外臂3的对应端连接。

连接接头1与中心柱2和/或外臂3之间可拆卸连接。具体地，连接接头1与中心柱2之间固定连接，连接接头1与外臂3之间可拆卸连接；或者连接接头1与中心柱2之间可拆卸连接，连接接头1与外臂3之间固定连接；或者连接接头1与中心柱2之间可拆卸连接，同时连接接头1与外臂3之间可拆卸连接。该种设计方式便于环向场线圈安装在真空室的外周。

结合图1和图3所示，连接接头1通过螺栓5和销钉6与中心柱2和/或外臂3之间可拆卸连接。具体地，在第一接头本体11和第二接头本体12上设置第一销钉孔和通孔，该处的通孔为不带螺纹的光孔，相应地，中心柱2和外臂3上设有第二销钉孔和螺纹孔。第一销钉孔和第二销钉孔的位置相对，使其组成可供销钉6插入的限位孔。通孔和螺纹孔的位置相对，当第一接头本体11和第二接头本体12分别与中心柱2和外臂3对位后，将螺钉穿过通孔并旋拧在螺纹孔内，完成连接。

进一步优化地，第一销钉孔内设有销钉套7，销钉6通过第二销钉孔插入到第一销钉孔的销钉套7内。该种设计方式增加与第一接头本体11和第二接头本体12的接触面积，进而增加零件的抗剪切能力。

进一步优化地，销钉6与第一接头本体11和第二接头本体12的接触面可镀银处理，或者在销钉6与第一接头本体11和第二接头本体12的接触面设置垫板8，其中，垫板8优选为银箔片，保证接触面的良好接触，增大接触面积，从而降低接触电阻，降低发热与损坏，提高安全性能。

本公开还提供了一种聚变反应装置，包括多匝如上所述的环向场线圈，每相邻的两匝环向场线圈之间并联连接或串联连接。且环向场线圈均套设在真空室的外周。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种连接接头，其特征在于，包括用于与中心柱(2)连接的第一接头本体(11)和用于与外臂(3)连接的第二接头本体(12)，所述第一接头本体(11)与所述第二接头本体(12)之间通过多根柔性导电带(13)连接，多个所述柔性导电带(13)间隔设置，所述柔性导电带(13)的长度大于所述第一接头本体(11)靠近所述柔性导电带(13)的一端和所述第二接头本体(12)靠近所述柔性导电带(13)的一端之间的距离。

2.根据权利要求1所述的连接接头，其特征在于，所述柔性导电带(13)弯曲设置。

3.根据权利要求2所述的连接接头，其特征在于，所述柔性导电带(13)呈S形或Ω形，多个所述柔性导电带(13)沿着所述中心柱(2)的形变方向间隔设置。

4.根据权利要求1所述的连接接头，其特征在于，所述柔性导电带(13)的长度余量大于所述中心柱(2)和所述外臂(3)的最大变形量。

5.根据权利要求1所述的连接接头，其特征在于，所述第一接头本体(11)和所述第二接头本体(12)均包括靠近所述柔性导电带(13)的固定端(14)与远离所述柔性导电带(13)的连接端(15)，所述固定端(14)包括间隔设置的多个用于安装所述柔性导电带(13)的固定台(4)。

6.根据权利要求5所述的连接接头，其特征在于，所述固定台(4)设有用于容纳所述柔性导电带(13)端部的敞口。

7.根据权利要求5所述的连接接头，其特征在于，所述固定台(4)至少包括四个与所述柔性导电带(13)固定的焊接面。

8.根据权利要求5所述的连接接头，其特征在于，当所述柔性导电带(13)呈S形时，多个所述固定台(4)呈阶梯状分布；当所述柔性导电带(13)呈Ω形时，多个所述固定台(4)沿着所述中心柱(2)的形变方向间隔设置。

9.一种环向场线圈，其特征在于，包括中心柱(2)和外臂(3)，所述外臂(3)的两端对应的通过如权利要求1至8任一项所述的连接接头(1)与所述中心柱(2)的两端连接。

10.根据权利要求9所述的环向场线圈，其特征在于，所述中心柱(2)的底端固定，所述中心柱(2)的顶端通过柔性导电带(13)呈S形的所述连接接头(1)与所述外臂(3)的对应端连接；所述中心柱(2)的底端通过柔性导电带(13)呈Ω形的所述连接接头(1)与所述外臂(3)的对应端连接。

11.一种聚变反应装置，其特征在于，包括多匝如权利要求9至10任一项所述的环向场线圈。

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