CN114334270A - 一种各向同性高温超导导体 - Google Patents

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皮伟
孙梓源
王睿琦
杨宇
张兆宇
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Abstract

本发明公开一种各向同性高温超导导体。所述各向同性高温超导导体包括超导线芯、金属箔、金属包套。所述超导线芯包括金属骨架和超导细丝。本发明所述超导线芯由若干超导细丝绕金属骨架捆扎而成，其中超导细丝是由超导带材切割而成的横截面为正方形的超导细丝。所述超导导体的横截面为圆形，这种结构使所述超导导体通流时，超导细丝产生的自场是呈圆对称分布的，从而超导导体的临界电流呈现各向同性的性质，提高了所述超导导体运行时的稳定性。所述金属骨架的横截面为圆形并且可以制作成空心金属骨架，有利于超导细丝通流时产生的热量传递到低温介质中，避免热量积聚，提高了超导导体运行时的可靠性。

Description

一种各向同性高温超导导体
技术领域
本发明涉及超导技术应用领域，特别是涉及一种各向同性高温超导导体。
背景技术
21世纪以来，超导技术发展迅速，尤其是高温超导技术。伴随着各种类型的高温超导导体研制成功，高温超导技术已经在许多领域得到应用。这些超导导体能够极大的提升电力线路的输电容量，在未来电网的应用中很有前景。目前，以第二代REBa2Cu3Oz（REBCO）高温超导带材为基础的高温超导导体占大多数，具有许多优异的性能。但是，高温超导导体都面临着电流分布极不均匀、临界电流受垂直方向自场或外加磁场影响大的问题，以至于高温超导导体的效率不高，经济性较差。另外，在运行过程中，高温超导导体中产生的热量无法快速散去，容易发生局部过热现象损坏超导导体。因此，本发明提出一种新型的各向同性高温超导导体结构，既能使超导导体的电流分布更加均匀，又能提升其运行时的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种各向同性高温超导导体，以解决现有超导导体电流分布不均匀、在垂直磁场下临界电流密度衰减太大的问题，并能提高超导导体运行时的稳定性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案。
一种各向同性高温超导导体，其特征在于，所述各向同性高温超导导体包括：超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导细丝，由若干根超导细丝绕金属骨架捆扎而成；所述超导细丝由超导带材切割制成；所述超导线芯外包覆所述金属箔；所述金属箔外侧套有所述金属包套。
可选的，所述超导线芯、金属箔及所述金属包套的横截面为圆形。
可选的，所述超导线芯包括金属骨架和若干超导细丝，所述金属骨架横截面为圆形，所述超导细丝横截面为正方形。
可选的，所述金属骨架的半径可以调节，也可做成空心金属骨架，内部可通过液氮、液氦、液氢和液氧等低温介质。
可选的，所述金属骨架为铜骨架、铝骨架或合金骨架。
可选的，所述金属箔为铝箔、铜箔或合金箔。
可选的，所述金属包套为铜包套、铝包套或合金包套。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果。
本发明公开一种各向同性高温超导导体。所述各向同性高温超导导体包括超导线芯、金属箔、金属包套。所述超导线芯包括金属骨架和超导细丝。本发明所述超导线芯由若干超导细丝绕金属骨架捆扎而成，其中超导细丝是由超导带材切割而成的横截面为正方形的超导细丝。所述超导导体的横截面和超导线芯的横截面为圆形，这种结构使所述超导线芯通流时，超导细丝自身产生的磁场是呈圆对称分布的，从而超导导体的临界电流呈现各向同性的性质，在电力系统和核聚变等应用中使超导导体中电流分布更加均匀，运行中热量的分布更加均匀，提高了所述超导导体运行的稳定性。所述金属骨架的横截面为圆形，可通过调节所述金属骨架的半径大小来调节所述超导导体的临界电流密度，所述金属骨架也可制作成空心金属骨架，在运行过程中更有利于超导细丝通流产生的热量传递到低温介质中，避免热量积聚导致超导细丝烧断，提高了超导导体运行的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些示意图以及实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据本发明提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的各向同性高温超导导体中超导线芯内的超导细丝加工流程的示意图。
图2为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例一的结构示意图。
图3为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例一的横截面示意图。
图4为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例二的结构示意图。
图5为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例二的横截面示意图。
图6为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例三的结构示意图。
图7为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例三的横截面示意图。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种各向同性高温超导导体，以解决现有超导导体电流分布不均匀、在垂直磁场下临界电流密度衰减太大的问题，并能提高超导导体运行时的稳定性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明提供的各向同性高温超导导体中超导线芯内的超导细丝加工流程的示意图。参见图1，所述超导导体内的超导线芯中的超导细丝是由截面为12mm*0.1mm的矩形的商用第二代涂层REBCO高温超导带材沿宽度方向切割成120等份制成的，每一根超导细丝的横截面为边长0.1mm的正方形。
图2为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例一的结构示意图。图4为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例二的结构示意图。图6为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例三的结构示意图。参见图2、4、6，本发明提供的所述各向同性高温超导导体的结构包括：超导线芯1、金属箔4、金属包套5。所述超导线芯包括金属骨架2和超导细丝3，所述超导线芯1由若干超导细丝3绕金属骨架2捆扎而成。
图3为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例一的横截面示意图；图5为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例二的横截面示意图；图7为本发明提供的各向同性高温超导导体实施例三的横截面示意图。参见图3，所述超导线芯1中只包含若干超导细丝3，不包含金属骨架2，即所述金属骨架2的半径为零；参见图5，所述超导线芯1中包含金属骨架2和若干超导细丝3，所述金属骨架横截面为圆形；参见图7，所述超导线芯1中包含金属骨架2和若干超导细丝3，所述金属骨架2为空心金属骨架，所述空心金属骨架2横截面为圆环形，内部可通过液氮等低温介质以供所述超导细丝3散热。
如图2、4、6所示，所述超导线芯1外侧包覆所述金属箔4。所述金属箔4外侧套有所述金属包套5。所述金属箔4和所述金属包套5的横截面为圆形。
如图1所示，所述超导细丝3是由超导带材切割而成的横截面为正方形的超导细丝，超导带材采用第二代高温超导带材REBa2Cu3Oz（REBCO），其中RE代表稀土元素。所述金属骨架2采用铜骨架、铝骨架或合金骨架，根据不同输电容量需求选择加工不同截面积半径的金属骨架2。所述金属箔4可采用铝箔、铜箔或合金箔。所述金属包套5可采用铜包套、铝包套或合金包套。
本发明提出的新型各向同性高温超导导体结构，能够改善现有超导导体电流分布不均匀、在垂直磁场下临界电流密度衰减太大的问题，并配备有金属骨架，提高了超导导体运行时的稳定性。另外，能够通过改变金属骨架的尺寸来调节超导导体的临界电流密度，以适应不同的输电容量需求。
本发明所述各向同性高温超导导体采用一种基于将超导细丝捆扎在金属骨架外侧的超导导体结构，实施例一、二、三包括：超导线芯1、金属箔4、金属包套5；所述超导线芯1包括若干超导细丝3和金属骨架2；金属骨架2的半径可调节，也可以做成空心金属骨架；本发明同时设计了三种在此结构下的超导导体。
如图2-7所示，本发明所述各向同性高温超导导体的实施例一、二、三中，所述超导线芯1、所述金属箔4和所述金属包套5的横截面为圆形；所述金属箔4包覆在所述超导线芯1外侧，所述金属箔4外侧套有所述金属包套5。
如图4-7所示，本发明所述各向同性高温超导导体的实施例二、三中，所述金属骨架2为一体成型的铜骨架、铝骨架或合金骨架。
具体的，如图2、图3所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例一中，所述各向同性高温超导导体由超导线芯1、金属箔4、金属包套5组成。所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑在一起构成，横截面为圆形，半径根据输电容量需求可调节；所述超导细丝3的横截面为边长0.1mm的正方形；所述超导线芯1外侧包覆所述金属箔4，在所述金属箔4外侧套上所述金属包套5，组成各向同性高温超导导体。
具体的，如图4、图5所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例二中，所述各向同性高温超导导体由超导线芯1、金属箔4、金属包套5组成。所述超导线芯1包括所述金属骨架2和所述超导细丝3；所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑并置于所述金属骨架2外侧构成，横截面为圆形，半径根据输电容量需求可调节；所述超导细丝3的横截面为边长0.1mm的正方形；所述金属骨架2横截面为圆形，半径也可根据实际需求调节；所述超导线芯1外侧包覆所述金属箔4，在所述金属箔4外侧套上所述金属包套5，组成各向同性高温超导导体。
具体的，如图6、图7所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例三中，所述各向同性高温超导导体由超导线芯1、金属箔4、金属包套5组成。所述超导线芯1包括所述金属骨架2和所述超导细丝3；所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑并置于所述金属骨架2外侧构成，横截面为圆形，半径根据输电容量需求可调节；所述超导细丝3的横截面为边长0.1mm的正方形；所述金属骨架2为空心金属骨架，横截面为圆环形，内部可通过液氮等低温介质以供所述超导细丝3散热，内外半径也可根据实际需求调节；所述超导线芯1外侧包覆所述金属箔4，在所述金属箔4外侧套上所述金属包套5，组成各向同性高温超导导体。
如图5、图7所示，在超导导体截面积一定的条件下，所述金属骨架2和若干捆绑在一起的超导细丝3的截面积的比例可以根据输电容量需求进行调节；输电容量需求大时，可以减小所述金属骨架2截面积的比例；反之，可以增大所述金属骨架2截面积的比例。
所述超导细丝3由超导带材切割而制成，超导带材采用第二代涂层高温超导带材REBa2Cu3Oz（REBCO），其中RE代表稀土元素。所述金属骨架2采用铜骨架、铝骨架或合金骨架，根据不同输电容量需求选择加工不同截面积半径的金属骨架2。所述金属箔4可采用铝箔、铜箔或合金箔。所述金属包套5的横截面为圆形，材质为铜、铝和合金中的一种。
如图2所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例一的结构包括：超导线芯1、金属箔4和金属包套5。所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑在一起构成。优选的，本发明实施例一中，如图3所示，所述超导线芯1横截面为半径2mm的圆形；所述超导细丝3横截面为边长0.1mm的正方形；所述金属箔4采用铝箔，所述金属包套5采用铜包套；所述超导线芯1外侧包覆铝箔4，在铝箔4套上铜包套5，组成各向同性高温超导导体。
本发明所述各向同性高温超导导体采用一种基于将超导细丝捆扎在金属骨架外侧的超导导体结构，包括：超导线芯1、金属箔4、金属包套5；所述超导线芯1包括所述金属骨架2和所述超导细丝3且横截面均为圆形，这种结构使所述超导线芯1中的所述超导细丝3通流时，所述超导细丝3自身产生的磁场呈圆对称分布，从而所述超导导体的临界电流呈现各向同性的性质，使超导导体内电流分布更加均匀，提高了所述超导导体运行时的稳定性；所述金属骨架2热导率高，有助于超导细丝散热；且所述金属骨架2可制成空心金属骨架，提供低温介质通道，使散热效果更好，提高所述超导导体运行时的稳定性。
如图4所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例二的结构包括：超导线芯1、金属箔4和金属包套5。所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑在金属骨架2外侧构成。优选的，本发明实施例二中，如图5所示，所述超导线芯1横截面为半径2mm的圆形；所述金属骨架2为铜骨架，横截面为圆形，半径为0.5mm；所述超导细丝3横截面为边长0.1mm的正方形；所述金属箔4采用铝箔，所述金属包套5采用铜包套；所述超导线芯1外侧包覆铝箔4，在铝箔4套上铜包套5，组成各向同性高温超导导体。
如图6所示，本发明所述各向同性高温超导导体实施例三的结构包括：超导线芯1、金属箔4以及金属包套5。所述超导线芯1由若干所述超导细丝3捆绑在金属骨架2外侧构成。优选的，本发明实施例三中，如图7所示，所述超导线芯1横截面为半径2mm的圆形；所述金属骨架2为空心铜骨架，横截面为圆环形，内半径为0.4mm，外半径为0.5mm；所述超导细丝3横截面为边长0.1mm的正方形；所述金属箔4采用铝箔，所述金属包套5采用铜包套；所述超导线芯1外侧包覆铝箔4，在铝箔4套上铜包套5，组成各向同性高温超导导体。
本发明提出的所述各向同性高温超导导体结构，拓展了超导导体的应用范围，本发明各向同性高温超导导体的此种结构具有诸多优点。
1、所述超导导体中的超导线芯1横截面为圆形，这种结构使所述超导线芯1中的所述超导细丝3通流时，超导细丝3自身产生的磁场呈圆对称分布，从而所述超导导体的临界电流呈现各向同性的性质，在实际应用中超导导体内电流分布更加均匀，产生的热量分布更加均匀，以至于热应力分布更加均匀，提高了所述超导导体运行时的稳定性。
2、所述超导导体中的超导线芯1中，超导细丝3和金属骨架2截面积的比例可以根据输电容量需求进行调整。当输电需求大时，可以通过增加超导细丝3的数量、减小金属骨架2截面积半径的方式来提高超导导体的临界电流密度。反之，可以增大金属骨架2截面积的比例。这样可以灵活调节超导导体的临界电流密度，提高超导导体的经济性。
3、由于金属骨架2的热导率高，超导线芯1在运行过程中产生的热量能够通过金属骨架2及时的传递到冷却介质中，特别是所述超导导体的实施例三中，所述金属骨架2提供了液氮等低温介质的通道，有助于超导细丝的散热，从而提高超导导体运行时的稳定性。
4、所述超导导体结构中包含金属骨架2，发生例如超导细丝烧断等故障时，金属骨架2可以起到分流的作用，提高了超导导体运行时的可靠性。
本发明提出的一种各向同性高温超导导体，能够解决现有超导导体电流分布不均匀、在垂直磁场下临界电流密度衰减太大的问题，并能提高超导导体运行时的稳定性。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种各向同性高温超导导体，其特征在于，所述各向同性高温超导导体包括：超导线芯、金属箔、金属包套；所述超导线芯包括金属骨架和超导细丝，由若干根超导细丝绕金属骨架捆扎而成；所述超导细丝由超导带材切割制成；所述超导线芯外包覆所述金属箔；所述金属箔外侧套有所述金属包套。
2.根据权利要求1所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述超导线芯、金属箔及所述金属包套的横截面为圆形。
3.根据权利要求1所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述超导线芯包括金属骨架和若干超导细丝，所述金属骨架横截面为圆形，所述超导细丝横截面为正方形。
4.根据权利要求3所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述金属骨架的半径可以调节，也可做成空心金属骨架，内部可通过液氮、液氦、液氢和液氧等低温介质。
5.根据权利要求1所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述金属骨架为铜骨架、铝骨架或合金骨架。
6.根据权利要求1所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述金属箔为铝箔、铜箔或合金箔。
7.根据权利要求1所述的各向同性高温超导导体，其特征在于，所述金属包套为铜包套、铝包套或合金包套。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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