CN114496454B - 一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法。所述超导线圈包括骨架芯桶、第一端板、第二端板、绝缘层、铌三锡超导线圈和绑扎层。所述第一端板连同绑扎层能够起到对铌三锡超导线圈从端面和外表面多向导冷的目的，加大了对铌三锡超导线圈的接触面积，加快了对铌三锡超导线圈的制冷效率，提高了对铌三锡超导线圈的制冷能力。同时，第一端板能够起到防止第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向两侧运动，对第二端板连同铌三锡超导线圈进行限位，当第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向中间运动时，第一端板脱离第二端板，减少铌三锡超导线圈内部的摩擦生热。本发明减小了铌三锡超导线圈失超的几率，提高了铌三锡超导线圈的安全裕度。

Description

一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法
技术领域
本发明属于超导磁体领域，具体涉及高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法。
背景技术
铌三锡超导材料是典型的低温超导材料，铌三锡超导材料的超导临界转变温度达到18K以上，临界磁场在液氦温区达到25T。同时，铌三锡超导材料的工程化程度较高，具有相对成熟的制备工艺。常用的制备工艺包括青铜法，内锡法和粉末套管法，各种方法在全世界范围内都有各自的生产厂家。因此，铌三锡超导材料具有广阔的应用前景和发展前途。
铌三锡超导材料的最为广泛的用途是制备成超导线用于绕制超导线圈，从而产生强磁场。包括“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，用于产生大规模核聚变反应,是由多个超导线圈组成。其中，铌三锡超导线圈是其中的重要组成部分。
由于铌三锡材料是一种金属间化合物，具有A15陶瓷相，不具备机械加工性能，所以铌三锡超导线圈一般是需要经过先绕制后反应的制备工艺，即先将铌锡材料加工成具有加工能力的前驱体线材，然后将线材绕制成最终形状的超导线圈，最后需要超导线圈进行长时间的高温热处理反应，反应生成最终的铌三锡超导相，从而制备成铌三锡超导线圈。在铌三锡超导线圈的制备过程中，在线圈绕制阶段需要在导线上施加一定的预紧力，来保证线圈的紧密排列，提高线圈的安匝比和减小线圈间的缝隙。超导线圈的热处理温度至少需要达到650℃，因此用来绕制铌锡导线的超导线圈的骨架，需要在长期的高温下具有较高的强度，用于抵抗超导线圈的变形。超导线圈的变形来自绕制过程中预紧力释放，不同材料间的热膨胀系数差异，以及多种材料自身的热变形等，因此，超导线圈的骨架一般选用无磁，并且具有较高机械强度的金属材料。其中，304不锈钢或者316L不锈钢材料是采用最多的用于铌三锡超导线圈制备的骨架材料。
铌三锡超导材料的超导性能与铌三锡超导材料工作的温度与铌三锡超导材料所处的背景磁场有密切关系，铌三锡超导材料的工作温度越低，温度裕度越高，铌三锡超导材料能够通过更大的电流以及产生更高的磁场，其安全系数也越高。因此，尽可能降低铌三锡超导材料的工作温度对于提高铌三锡超导线圈的性能有重要意义。对于铌三锡超导线圈，其运行工况是极低温和极高场的极端环境，即使较小范围的温度降低对于提高铌三锡超导线圈的性能都是不容忽视的。因此，需要尽量降低铌三锡超导线圈的工作温度。当对铌三锡超导线圈制冷时，尤其是传导冷铌三锡超导线圈，铌三锡超导线圈的骨架是重要的热量传导的媒介，而不锈钢材料具有相对较低的热传导系数，当铌三锡超导线圈通过骨架与制冷机的二级冷头连接时，不锈钢材料会使二者之间存在较大的温差，不能对铌三锡超导线圈进行充分的制冷。
对于高性能铌三锡超导线圈，比如综合物性测量系统(PPMS)的铌三锡超导线圈，对磁场的励磁速度有较高的要求，而较高的励磁速度会使铌三锡超导线圈发热，热量如果不能及时的传导出去，就会使铌三锡超导线圈的热量积累，当铌三锡超导线圈的温度升高到安全裕度以上时，可能会触发铌三锡超导线圈的失超，可能烧毁铌三锡超导线圈。因此，需要铌三锡超导线圈就有良好的导冷能力。
铌三锡导线是将超导体嵌入到铜基体里，将铌三锡超导线绕制成超导线圈后，在线圈端部有骨架的两个端板法兰进行支撑和位置约束。铌三锡线圈在绕制完成后会经过真空浸渍过程，将树脂填充到铌三锡超导线圈内部，将铌三锡超导线圈与骨架浸渍成一个整体来增加超导线圈的强度。铌三锡超导线圈在降温过程中，铌三锡超导线圈与骨架端板法兰由于热变形不同会发生相对位移。同时，铌三锡超导线圈在通电过程中，由于洛伦兹力的作用，铌三锡超导线圈会沿着径向膨胀，轴向收缩，使得铌三锡超导线圈与线圈骨架有脱离的趋势。但由于树脂的粘结作用，会限制铌三锡超导线圈端部导线的运动，从而造成铌三锡超导线圈导线间的作用力，当作用力达到一定程度时，铌三锡超导线圈导线间产生相对位移，产生摩擦热，使局部的热量快速上升，当超过铌三锡超导线的温度裕度后，将引发铌三锡超导线圈的失超。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的铌三锡超导线圈冷却效果差的问题，以及铌三锡超导线圈经过降温励磁后端部线圈与骨架的脱层可能引起铌三锡超导线圈发热失超的问题，从而提出一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法。
本发明的目的是通过下述技术方案而实现的：
一种高导冷低失超铌三锡超导线圈，包括铌三锡超导线圈、绝缘层、骨架芯桶、第一端板、第二端板、绑扎层；所述骨架芯桶穿过两个第二端板，第二端板与骨架芯桶之间为滑动配合；所述第一端板在第二端板穿过骨架芯桶之后焊接在骨架芯桶两侧，焊接位置保证铌三锡超导线圈的尺寸要求；所述绝缘层在骨架芯桶和第二端板内侧，作为铌三锡超导线圈和骨架的绝缘层；所述铌三锡超导线圈绕制在做好绝缘后的骨架上。所述绑扎层绕制在铌三锡超导线圈外侧，用于对铌三锡超导线圈施加径向约束力，同时绑扎层作为外层导冷，连接到铌三锡超导线圈两侧的第二端板上，从铌三锡超导线圈的外表面对铌三锡超导线圈冷却。
进一步地，所述骨架芯桶为圆柱形结构，采用不锈钢材料。
进一步地，所述第二端板为高纯铜材料制作，低温下具有高热导率。
进一步地，所述骨架芯桶与第二端板之间的配合间隙为0.02mm到0.1mm。
进一步地，所述第一端板为不锈钢材料，可方便焊接在骨架芯桶上。所述第一端板为扇形结构，所述第一端板与所述骨架芯桶焊接后形成齿轮结构，与所述第二端板形成齿轮配合。
进一步地，所述第二端板为台阶结构，台阶底面为圆平面，作为铌三锡超导线圈的端面，台阶顶面为多个扇形自由面，扇形自由面形成齿轮结构，与所述第一端板形成齿轮配合。所述扇形自由面上开有螺纹孔，用于连接导冷结构。
进一步地，所述第一端板和第二端板形成齿轮配合结构的配合为间隙配合，配合间隙为0.1mm到1mm。
进一步地，所述绑扎层为黄铜材料，能够对铌三锡超导线圈导冷的同时，在600以上高温和-269℃低温下仍然具有足够的强度。
本发明还提供一种高导冷低失超铌三锡超导线圈的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将所述骨架芯桶穿过两个所述第二端板，所述第二端板与所述骨架芯桶之间为滑动配合，配合间隙为0.02mm到0.1mm。
(2)将所述骨架芯桶从两侧分别穿过两个所述第一端板，从两侧分别固定第一端板和第二端板，使第一端板和第二端板形成齿轮配合，齿间的配合间隙为0.1mm到1mm。
(3)骨架芯桶两侧的两个第二端板间的距离为铌三锡超导线圈的长度和铌三锡超导线圈两侧的绝缘层的厚度之和。固定位置后分别将两个第一端板与骨架芯桶进行焊接，焊接位置为骨架芯桶的顶面和底面，不影响中间超导线圈的绕线空间。焊接方式为点焊，焊点数量为3到6个，防止焊点过多对骨架芯桶带来的变形。
(4)在两个第二端板内侧和芯桶上安装绝缘层，保证铌三锡超导线圈对骨架芯桶和第二端板的绝缘。
(5)将铌锡导线精密绕制在骨架芯桶上，两个第二端板为铌三锡超导线圈的两侧约束面。
(6)铌锡导线绕制完成后，在最外层做绝缘处理。
(7)用黄铜导线对铌三锡超导线圈进行绑扎，绑扎层两侧分别绕制到两个第二端板上，在铌三锡超导线圈热处理后将绑扎层用锡焊焊接到两个第二端板上，从而将绑扎层连接到两个第二端板上，通过第二端板和导冷结构从铌三锡超导线圈的外层对铌三锡超导线圈进行冷却。
(8)用胶带分别将两个第二端板与两个第一端板进行保护，防止铌三锡超导线圈在真空的过程中使树脂进入到第一端板和第二端板间，保证第一端板和第二端板是无固定连接的。第一端板能够起到防止第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向两侧运动，对第二端板连同铌三锡超导线圈进行限位，当第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向中间运动时，第一端板脱离第二端板，减少铌三锡超导线圈5内部的摩擦生热。减小了铌三锡超导线圈失超的几率，提高了铌三锡超导线圈的安全裕度。
有益效果：
(1)对于需要较高励磁速度的铌三锡超导线圈，快速励磁引起的铌三锡超导线圈发热需要快速的传导出去，采用本发明的铌三锡超导线圈能够对铌三锡超导线圈进行高效的制冷，减小热量在铌三锡线圈内部的积累，提高铌三锡超导磁体的安全裕度。
(2)本发明能够在铌三锡超导线圈降温过程以及通电励磁过程中，端板能够随着铌三锡超导线圈同时运动，防止因为端板对铌三锡超导线圈端板的粘结使铌三锡超导线圈发生相对位移而产生摩擦热，产生铌三锡超导线圈失超的风险，提高铌三锡线圈的安全裕度。
(3)本发明装置结构简单，成本低廉，适用于大批量产业化制造。
综上所述，本发明中采用可随着铌三锡超导线圈一起运动的端板，减小铌三锡超导线圈失超的风险，同时将绑扎层与端板进行连接，同时从端面和外表面对铌三锡超导线圈进行制冷，对提升铌三锡超导线圈的温度裕度有很大的促进作用，从而最终提高铌三锡超导线圈的超导性能。
附图说明
图1本发明的骨架芯桶示意图；
图2本发明的第一端板示意图；
图3本发明的第二端板示意图；
图4本发明的超导线圈的骨架示意图；
图5本发明的铌三锡超导线圈示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-5所示，本发明的高导冷低失超铌三锡超导线圈包括骨架芯桶1、第一端板2、第二端板3、绝缘层4、铌三锡超导线圈5、绑扎层6。其中，所述骨架芯桶1为不锈钢材料制作，具有圆柱形结构。所述骨架芯桶1穿过两个所述第二端板3，所述第二端板3为高纯铜材料制作，低温下具有高热导率。所述骨架芯桶1与第二端板3之间为滑动配合，所述骨架芯桶1与第二端板3之间的配合间隙为0.02mm到0.1mm。所述第一端板2与所述骨架芯桶1焊接后形成齿轮结构，所述第二端板3为台阶结构，台阶底面为圆平面，作为铌三锡超导线圈5的端面，台阶顶面为多个扇形自由面，扇形自由面形成齿轮结构，与所述第一端板2形成齿轮配合。所述扇形自由面上开有螺纹孔，用于连接导冷结构。
所述第一端板2在第二端板3穿过骨架芯桶1之后焊接在骨架芯桶1两侧，焊接位置保证铌三锡超导线圈5的尺寸要求；所述第一端板2为不锈钢材料，具有扇形结构，所述第一端板2与所述骨架芯桶1焊接后形成齿轮结构，与所述第二端板3形成齿轮配合。所述第一端板2和第二端板3形成齿轮配合结构的配合为间隙配合，配合间隙为0.1mm到1mm。所述绝缘层4在骨架芯桶1和第二端板3内侧，作为铌三锡超导线圈5和所述第二端板3的绝缘层；所述铌三锡超导线圈绕制在做好绝缘后的骨架芯桶1上。所述绑扎层6绕制在铌三锡超导线圈5外侧，用于对铌三锡超导线圈5施加径向约束力，同时绑扎层6作为外层导冷，连接到铌三锡超导线圈5两侧的第二端板3上，从铌三锡超导线圈5的外表面对铌三锡超导线圈5冷却。所述绑扎层为黄铜材料，能够对铌三锡超导线圈5导冷的同时，在600以上高温和-269℃低温下仍然具有足够的强度。
本发明的高导冷低失超铌三锡超导线圈的制作过程如下：
(1)将所述骨架芯桶1穿过两个所述第二端板3，所述第二端板3与所述骨架芯桶之间1为滑动配合，配合间隙为0.02mm到0.1mm。
(2)将所述骨架芯桶1从两侧分别穿过两个所述第一端板2，从两侧分别固定第一端板2和第二端板3，使第一端板2和第二端板3形成齿轮配合，齿间的配合间隙为0.1mm到1mm。
(3)骨架芯桶1两侧的两个第二端板3间的距离为铌三锡超导线圈5的长度和铌三锡超导线圈两侧的绝缘层4的厚度之和。固定位置后分别将两个第一端板2与骨架芯桶1进行焊接，焊接位置为骨架芯桶1的顶面和底面，不影响中间铌三锡超导线圈5的绕线空间。焊接方式为点焊，焊点数量为3到6个，防止焊点过多对骨架芯桶1带来的变形。
(4)在两个第二端板3内侧和骨架芯桶1上安装绝缘层4，保证铌三锡超导线圈5对骨架芯桶1和第二端板3的绝缘。
(5)将铌锡导线精密绕制在骨架芯桶1上，两个第二端板3为铌三锡超导线圈5的两侧约束面。
(6)铌锡导线绕制完成后，在最外层做绝缘处理。
(7)用黄铜导线对铌三锡超导线圈5进行绑扎，所述绑扎层6两侧分别绕制到两个第二端板3上，在铌三锡超导线圈5高温热处理后将绑扎层6用锡焊焊接到两个第二端板3上，从而将绑扎层6连接到两个第二端板3上，通过第二端板3和导冷结构从铌三锡超导线圈5的外层对铌三锡超导线圈5进行冷却。
(8)用胶带分别将两个第二端板3与两个第一端板2进行保护，防止铌三锡超导线圈5在真空的过程中使树脂进入到第一端板2和第二端板3间，保证第一端板2和第二端板3是无固定连接的。第一端板2能够起到防止第二端板3连同铌三锡超导线圈5沿轴向向两侧运动，对第二端板3连同铌三锡超导线圈5进行限位，当第二端板3连同铌三锡超导线圈5沿轴向向中间运动时，第一端板2脱离第二端板3，减少铌三锡超导线圈5内部的摩擦生热。减小了铌三锡超导线圈5失超的几率，提高了铌三锡超导线圈5的安全裕度。
下面以两个实施例具体说明。
实施例一：
将所述骨架芯桶1穿过两个所述第二端板3，所述第二端板3与所述骨架芯桶之间1为滑动配合，配合间隙为0.1mm。将所述骨架芯桶1从两侧分别穿过两个所述第一端板2，从两侧分别固定第一端板2和第二端板3，使第一端板2和第二端板3形成齿轮配合，齿间的配合间隙为1mm。两个第一端板2与骨架芯桶1进行焊接时，焊接位置为骨架芯桶1的顶面和底面，焊接方式为点焊，焊点数量为6个。之后进行第(4)—(8)步。
实施例二：
将所述骨架芯桶1穿过两个所述第二端板3，所述第二端板3与所述骨架芯桶之间1为滑动配合，配合间隙为0.02mm。将所述骨架芯桶1从两侧分别穿过两个所述第一端板2，从两侧分别固定第一端板2和第二端板3，使第一端板2和第二端板3形成齿轮配合，齿间的配合间隙为0.1mm。两个第一端板2与骨架芯桶1进行焊接时，焊接位置为骨架芯桶1的顶面和底面，焊接方式为点焊，焊点数量为3个。之后进行第(4)—(8)步。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：包括骨架芯桶（1）、第一端板（2）、第二端板（3）、绝缘层（4）、铌三锡超导线圈（5）和绑扎层（6）；所述骨架芯桶（1）穿过两个第二端板（3），所述第二端板（3）与骨架芯桶（1）之间为滑动配合；所述第一端板（2）在第二端板（3）穿过所述骨架芯桶（1）之后焊接在骨架芯桶（1）两侧，焊接位置保证所述铌三锡超导线圈（5）的尺寸要求；所述绝缘层（4）在所述骨架芯桶（1）和第二端板（3）内侧，作为所述铌三锡超导线圈（5）和所述第二端板（3）的绝缘层；所述铌三锡超导线圈（5）绕制在做好绝缘后的所述骨架芯桶（1）上；所述绑扎层（6）绕制在所述铌三锡超导线圈（5）外侧，用于对所述铌三锡超导线圈（5）施加径向约束力，同时所述绑扎层（6）作为外层导冷，连接到所述铌三锡超导线圈（5）两侧的第二端板（3）上，从所述铌三锡超导线圈（5）的外表面对所述铌三锡超导线圈（5）冷却；
所述第一端板（2）为不锈钢材料，方便焊接在所述骨架芯桶（1）上；所述第一端板（2）为扇形结构，所述第一端板（2）与所述骨架芯桶（1）焊接后形成齿轮结构，与所述第二端板（3）形成齿轮配合；
所述第二端板（3）为台阶结构，台阶底面为圆平面，作为所述铌三锡超导线圈（5）的端面，台阶顶面为多个扇形自由面，扇形自由面形成齿轮结构，与所述第一端板（2）形成齿轮配合；所述扇形自由面上开有螺纹孔，用于连接导冷结构。
2.根据权利要求1所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：所述骨架芯桶（1）为圆柱形结构，采用不锈钢材料。
3.根据权利要求1所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：所述第二端板（3）为高纯铜材料制作，低温下具有高热导率。
4.根据权利要求1所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：所述骨架芯桶（1）与第二端板（3）之间的配合间隙为0.02mm到0.1mm。
5.根据权利要求1所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：所述第一端板（2）和第二端板（3）形成的齿轮配合为间隙配合，配合的间隙为0.1mm到1mm。
6.根据权利要求1所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈，其特征在于：所述绑扎层（6）为黄铜材料，对所述铌三锡超导线圈（5）导冷的同时，在600℃以上高温和-269℃的低温下仍然具有足够的强度。
7.根据权利要求1-6之一所述的高导冷低失超铌三锡超导线圈的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将所述骨架芯桶（1）穿过两个所述第二端板（3），所述第二端板（3）与所述骨架芯桶（1）之间为滑动配合，配合间隙为0.02mm到0.1mm；
（2）将所述骨架芯桶（1）从两侧分别穿过两个所述第二端板（3），从两侧分别固定所述第一端板（2）和第二端板（3），使所述第一端板（2）和第二端板（3）形成齿轮配合，齿间的配合间隙为0.1mm到1mm；
（3）所述骨架芯桶（1）两侧的两个第二端板（3）间的距离为所述铌三锡超导线圈（5）的长度和所述铌三锡超导线圈（5）两侧的绝缘层（4）的厚度之和；固定位置后分别将两个所述第一端板（2）与所述骨架芯桶（1）进行焊接，焊接位置为所述骨架芯桶（1）的顶面和底面，焊接方式为点焊，焊点数量为3到6个，防止焊点过多对所述骨架芯桶（1）带来变形；
（4）在两个所述第二端板（3）内侧和所述骨架芯桶（1）上安装所述绝缘层（4），保证所述铌三锡超导线圈（5）对所述骨架芯桶（1）和第二端板（3）的绝缘；
（5）将铌锡导线精密绕制在所述骨架芯桶（1）上，两个第二端板（3）为所述铌三锡超导线圈（5）的两侧约束面；
（6）铌锡导线绕制完成后，在最外层做绝缘处理；
（7）用黄铜导线对所述铌三锡超导线圈（5）进行绑扎，所述绑扎层（6）两侧分别绕制到两个所述第二端板（3）上，在所述铌三锡超导线圈（5）热处理后将所述绑扎层（6）用锡焊焊接到两个第二端板（3）上，从而将所述绑扎层（6）连接到两个第二端板（3）上，通过所述第二端板（3）和导冷结构从所述铌三锡超导线圈（5）的外层对所述铌三锡超导线圈（5）进行冷却；
（8）用胶带分别将两个所述第二端板（3）与两个所述第一端板（2）进行保护，防止所述铌三锡超导线圈（5）在真空的过程中使树脂进入到所述第一端板（2）和第二端板（3）间，保证所述第一端板（2）和第二端板（3）无固定连接；所述第一端板（2）起到防止所述第二端板（3）连同所述铌三锡超导线圈（5）沿轴向向两侧运动，对所述第二端板（3）连同所述铌三锡超导线圈（5）进行限位，当所述第二端板（3）连同铌三锡超导线圈（5）沿轴向向中间运动时，所述第一端板（2）脱离所述第二端板（3），减少所述铌三锡超导线圈（5）内部的摩擦生热，减小所述铌三锡超导线圈（5）失超的几率，提高所述铌三锡超导线圈（5）的安全裕度。
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