CN115458228A - 一种基于cicc导体的同轴型搭接式超导接头及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核聚变装置领域，公开了一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头及制备方法，其包括中心冷却管、第一超导缆、第二超导缆、箍缩套以及接头铠甲，第一超导缆和第二超导缆分别套设于中心冷却管两端，并通过第一超导缆子缆和第二超导缆子缆连接，箍缩套套设于两子缆的的绞接处，接头铠甲套设于第一超导缆、第二超导缆和箍缩套的外周，同时采用子缆端头封焊等方法加工形成该超导接头。本发明的有益效果为：电流传递效率高，机械连接性能好，超导性能稳定，在10特斯拉以下的高场强环境工作时电阻小于1纳欧，箍缩套和接头铠甲能够保证超导接头的可靠性和稳定性，同时该加工方法也能够简单有效的制造超导接头，实现超导接头连续可靠生产的目的。
Description
技术领域
本发明涉及核聚变装置领域，特别是涉及一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头及制备方法。
背景技术
核聚变能具有资源丰富、无碳排放和安全等优点，是构建清洁低碳、安全高效的能源体系的重要途径，其将成为人类提供取之不尽的清洁能源。聚变堆的核心部件为超导磁体，它具有尺寸大、场强高、工作电流大的特点，所以导体要经受的电磁力作用很大，而且由于其磁场变化率很大，超导体的交流损耗值较高。为了保证超导磁体的安全运行，在超导磁体制造时首选在机械结构、绝缘性能、磁体绕制工艺及运行安全性等方面的具有绝对优势的管内电缆导体（Cable-In-Conduit-Conductor,CICC）。
目前，随着对超导磁体的性能需求越来越高，由此带来的超导磁体的规模也越来越大，因此对超大型超导磁体制造所需的导体的总长度往往达到数千米。受导体制造工艺及条件的限制，目前单根CICC导体的长度往往不超过1000米。并且随着磁体规模的增加，如果按照传统的单一导体的设计，其材料成本将非常庞大。同时随着超导磁体的性能参数（磁场、电流）要求的逐步提升，对超导接头的电性能、机械性能以及可靠性要求也相应提高，常规的工作在1-2 T磁场条件下的电阻不超过5纳欧的水平的超导接头已无法满足要求，现需要一种能够工作在3-10T，电阻在1纳欧以下的高性能接头。因此，亟需一种新型的超导接头及其制备方法，以解决上述问题。
发明内容
本申请的第一目的是提供一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头，其电学性能好，解决了大型超导磁体制造中导体长度以及安装空间的限制所带来的设计和制造问题。
本申请的第一目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头，包括：中心冷却管、第一超导缆、第二超导缆、箍缩套以及接头铠甲，所述第一超导缆套设于所述中心冷却管的外周上并位于所述中心冷却管的第一端，所述第二超导缆套设于所述中心冷却管的外周上并位于所述中心冷却管的第二端，所述中心冷却管分别与所述第一超导缆的中心螺线管和所述第二超导缆的中心螺线管连接，所述第一超导缆的端部具有若干第一超导缆子缆，所述第二超导缆的端部具有若干第二超导缆子缆，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接连接，所述箍缩套套设于所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆的绞接位置，所述接头铠甲套设于所述第一超导缆、所述第二超导缆和所述箍缩套的外周。
本申请的一些实施例中，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接形成的子缆数与所述第一超导缆的子缆数和所述第二超导缆的子缆数相同。
本申请的一些实施例中，沿所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接位置的横截面观察，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接形成第一绞接层和第二绞接层，所述第一绞接层和所述第二绞接层由内向外依次设置，且所述第一绞接层中的所述第一超导缆子缆和所述第一绞接层中的所述第二超导缆子缆依次周向间隔设置，所述第二绞接层中的所述第一超导缆子缆和所述第二绞接层中所述的第二超导缆子缆依次周向间隔设置。
本申请的一些实施例中，所述箍缩套的数量为多个，所述箍缩套沿所述第一超导缆和所述第二超导缆的绞接位置的轴向间隔设置。
本申请的一些实施例中，所述接头铠甲包括相互对接的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体焊接连接。
本申请的第二目的是提供一种超导接头的加工方法，用于生产如上述所述的超导接头，包括以下步骤：
将所述第一超导缆和所述第二超导缆端部的中心螺线管去除；
对所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆进行端头封焊；
将所述箍缩套安装在所述第一超导缆和所述第二超导缆上；
将所述中心冷却管与所述第一超导缆的中心螺线管连接，将所述中心冷却管与所述第二超导缆的中心螺线管连接；
将所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆按照所述第一超导缆和所述第二超导缆的原始分级结构和截距进行互补绞接；
使用缩缆设备对所述第一超导缆和所述第二超导缆进行预缩径；
将所述箍缩套移至所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆的连接位置，使用缩管机将所述箍缩套收缩；
将所述接头铠甲安装在超导接头的外周上。
本申请的一些实施例中，还包括以下步骤：
对所述第一超导缆和所述第二超导缆进行打磨处理。
本申请的基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头及制备方法，第一超导缆和第二超导缆采用绞纽成型的方式连接，绞纽成型使得电流具有最大的横向传递面积，实现电流最大效率的传递，并且超导接头的连接稳固，不会丧失其必需的超导性能，其可工作于10特斯拉以下的高场强环境，并达到接头电阻小于1纳欧的目的，而中心冷却管可与两端的中心螺线管连接，进一步提高电流的传递性能，箍缩套则能够将绞接连接的第一超导缆子缆和第二超导缆子缆缩径到合适的尺寸，使绞接连接的部分与其余的缆线形状相匹配，设置在超导缆外周的接头铠甲则能够起到固定安装和防护的作用，为超导接头的可靠性提供保障，同时该超导接头的加工方法也能够简单有效的制造超导接头，实现超导接头连续可靠生产的目的。
附图说明
图1是本申请的超导接头的爆炸图；
图2是本申请的超导接头绞接完成后的结构示意图；
图3是本申请的花瓣结构中子缆为奇数时的超导接头截面图；
图4是本申请的花瓣结构中子缆为偶数时的超导接头截面图；
图5是本申请带有铜芯时的超导接头截面图。
图中，1、中心冷却管；2、第一超导缆；21、第一超导缆子缆；3、第二超导缆；31、第二超导缆子缆；4、箍缩套；5、接头铠甲；51、第一壳体；52、第二壳体；6、第一绞接层；7、第二绞接层；8、铜芯；9、花瓣结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本申请的描述中，应当理解的是，本申请中采用的术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-5所示，本申请的实施例的第一方面提出一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头，包括：中心冷却管1、第一超导缆2、第二超导缆3、箍缩套4以及接头铠甲5，所述第一超导缆2套设于所述中心冷却管1的外周上并位于所述中心冷却管1的第一端，所述第二超导缆3套设于所述中心冷却管1的外周上并位于所述中心冷却管1的第二端，所述中心冷却管1分别与所述第一超导缆2的中心螺线管和所述第二超导缆3的中心螺线管连接，所述第一超导缆2的端部具有若干第一超导缆子缆21，所述第二超导缆3的端部具有若干第二超导缆子缆31，所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31绞接连接，所述箍缩套4套设于所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31的绞接位置，所述接头铠甲5套设于所述第一超导缆2、所述第二超导缆3和所述箍缩套4的外周。
基于上述技术方案，第一超导缆2和第二超导缆3采用绞纽成型的方式连接，绞纽成型使得电流具有最大的横向传递面积，实现电流最大效率的传递，并且超导接头的连接稳固，不会丧失其必需的超导性能，其可工作于10特斯拉以下的高场强环境，并达到接头电阻小于1纳欧的目的。而中心冷却管1可与两端的中心螺线管连接，进一步提高电流的传递性能。中心冷却管1可采用中心冷却替代管安装，具有冷却的作用。箍缩套4则能够将绞接连接的第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31缩径到合适的尺寸，使绞接连接的部分与其余的缆线形状相匹配。设置在超导缆外周的接头铠甲5则能够起到固定安装和防护的作用，为超导接头的可靠性提供保障。
第一超导缆2和第二超导缆3在绞纽前需要去除一定的第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31，以便于进行分级编织，避免编织过后的缆线直径太粗，使得不同段的超导缆直径不同的问题发生。编织区域的长度优选为0.8~1.2超导缆节距，以保证所属层级子缆接触面积最大化且具有较小的交流损耗。
在此说明编织的具体方法：第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31编织成花瓣结构9，花瓣结构9具体呈扇区结构，具有内外两层结构，其中内层和外层之间所去除的子缆均不相邻，且两根超导缆去除子缆的总数为二者子缆总数的1/2，对于存在铜芯8的超导缆，去除的铜芯8数为铜芯8总数的1/2，并且因为编织工艺需求，需要进行子缆端头封焊，根据超导缆性能要求，焊接时超导缆表面温度不能超过超导丝的转变温度。而为了降低接头电阻，对于每个花瓣中参与编织的子缆，NbTi同轴型超导接头制备时，需表面去镍处理，Nb3Sn同轴型超导接头制备时，需表面去铬处理，表面处理的方式可选择化学处理方式或机械处理方式，化学处理方式一般选用强碱溶液，而机械处理方式可使用具有一定强度且对子缆伤害较小的工具进行表面打磨。
编织形成的花瓣结构9具有多种实施方式，下面以第一超导缆2和第二超导缆3均为五级绞缆，第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31均为三级子缆为例，列举几种不同的实施例。
实施例一
如图3所示，花瓣结构9中的三级子缆根数为奇数，剪缆时，内外层的三级子缆为间隔剪缆，花瓣结构9内层或者外层所去除的子缆均不相邻，以确保不同超导缆的三级子缆接触面积最大。编织完成后，所有编织区域的截面内，内层或外层相邻的三级子缆均不来源于同一根超导缆。
实施例二
如图4所示，花瓣结构9中的三级子缆根数为偶数，剪缆时，每个花瓣结构9去除的三级子缆位置相同，每个花瓣结构9中去除的子缆数量为总数的1/2，其超导缆内层、外层以及内层和外层之间的去除的三级子缆均不相邻。编织完成后，所有编织区域的截面内，内层或外层以及内层和外层相邻的三级子缆均不来源于同一根超导缆。在实例二中，由于超导丝外层均镀有铬层，因此在编织前对于编织区域进行了三级子缆表面去铬处理。
实施例三
如图5所示，在花瓣结构9中心位置存在铜芯8结构，其他基本结构和实例一相同。编织前，将第一超导缆2和第二超导缆3中去除较少三级子缆花瓣结构9中的铜芯8去除；编织时，将第一超导缆2和第二超导缆3的铜芯8按照超导缆的原始轨迹和位置重新连接并焊接固定在一起。
上述不同的超导接头已在不同的超导缆上进行了验证，能够满足要求。
本申请的一些实施例中，如图2所示，所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31绞接形成的子缆数与所述第一超导缆2的子缆数和所述第二超导缆3的子缆数相同。绞接形成的超导接头与其他的超导缆相同，保证超导接头的连接效果，避免电流出现波动。
具体的，如图1、2所示，所述第一超导缆2和所述第二超导缆3均为五级绞缆，且所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31均为三级子缆。在保证了连接强度的同时能够更好的进行电流输送。
具体的，如图3-5所示，沿所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31绞接位置的横截面观察，所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31绞接形成第一绞接层6和第二绞接层7，所述第一绞接层6和所述第二绞接层7由内向外依次设置，且所述第一绞接层6中的所述第一超导缆子缆21和所述第一绞接层6中的所述第二超导缆子缆31依次周向间隔设置，所述第二绞接层7中的所述第一超导缆子缆21和所述第二绞接层7中所述的第二超导缆子缆31依次周向间隔设置。两层绞接结构与原超导缆结构一致，间隔设置的第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31可以确保不同超导缆的子缆接触面积最大，导电效果更好。
更具体的，如图5所示，还包括铜芯8，所述铜芯8周向间隔设于所述第一绞接层6和所述第二绞接层7之间。这样设置的带有铜芯8的超导缆导电效果更好，机械连接的效果也更好。
本申请的一些实施例中，如图1所示，所述箍缩套4的数量为多个，所述箍缩套4沿所述第一超导缆2和所述第二超导缆3的绞接位置的轴向间隔设置。利用多个箍缩套4将全部的子缆连接位置缩径处理，使超导接头的尺寸达到要求。箍缩套4优选为铜材质，导电效果和防锈蚀效果好，是更佳的结构材料选择。
本申请的一些实施例中，图1及图3-5所示，所述接头铠甲5包括相互对接的第一壳体51和第二壳体52，所述第一壳体51和所述第二壳体52焊接连接。利用两部分壳体对接实现安装，结构简单，安装方便，而焊接连接则能够保证第一壳体51和第二壳体52之间的连接强度，提升超导接头的可靠性。
如图1-5所示，本申请的实施例的第二方面提出一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头的制备方法，用于生产如上述所述的超导接头，包括以下步骤：
将所述第一超导缆2和所述第二超导缆3端部的中心螺线管去除；
对所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31进行端头封焊；
将所述箍缩套4安装在所述第一超导缆2和所述第二超导缆3上；
将所述中心冷却管1与所述第一超导缆2的中心螺线管连接，将所述中心冷却管1与所述第二超导缆3的中心螺线管连接；
将所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31按照所述第一超导缆2和所述第二超导缆3的原始分级结构和截距进行互补绞接；
使用缩缆设备对所述第一超导缆2和所述第二超导缆3进行预缩径；
将所述箍缩套4移至所述第一超导缆子缆21和所述第二超导缆子缆31的连接位置，使用缩管机将所述箍缩套4收缩；
将所述接头铠甲5安装在超导接头的外周上。
利用上述的加工方法能够快速可靠的完成超导接头的生产，得到更长的超导缆，满足核聚变装置的电流运输。
本申请的一些实施例中，还包括以下步骤：
对所述第一超导缆31和所述第二超导缆21进行打磨处理。
本申请的一些实施例中，如图5所示，还包括以下步骤：
所述第一超导缆2和所述第二超导缆3中均具有铜芯8，去除所述第一超导缆2中的铜芯8或所述第二超导缆3中的铜芯8；
将第一超导缆2或第二超导缆3中的铜芯8按照原始轨迹和位置焊接固定。
综上，本申请的基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头及制备方法，第一超导缆2和第二超导缆3采用绞纽成型的方式连接，绞纽成型使得电流具有最大的横向传递面积，实现电流最大效率的传递，并且超导接头的连接稳固，不会丧失其必需的超导性能，其可工作于10特斯拉以下的高场强环境，并达到接头电阻小于1纳欧的目的，而中心冷却管1可与两端的中心螺线管连接，进一步提高电流的传递性能，箍缩套4则能够将绞接连接的第一超导缆子缆21和第二超导缆子缆31缩径到合适的尺寸，使绞接连接的部分与其余的缆线形状相匹配，设置在超导缆外周的接头铠甲5则能够起到固定安装和防护的作用，为超导接头的可靠性提供保障，同时该超导接头的加工方法也能够简单有效的制造超导接头，实现超导接头连续可靠生产的目的。
以上仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头，其特征在于，包括：中心冷却管、第一超导缆、第二超导缆、箍缩套以及接头铠甲，所述第一超导缆套设于所述中心冷却管的外周上并位于所述中心冷却管的第一端，所述第二超导缆套设于所述中心冷却管的外周上并位于所述中心冷却管的第二端，所述中心冷却管分别与所述第一超导缆的中心螺线管和所述第二超导缆的中心螺线管连接，所述第一超导缆的端部具有若干第一超导缆子缆，所述第二超导缆的端部具有若干第二超导缆子缆，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接连接，所述箍缩套套设于所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆的绞接位置，所述接头铠甲套设于所述第一超导缆、所述第二超导缆和所述箍缩套的外周。
2.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接形成的子缆数与所述第一超导缆的子缆数和所述第二超导缆的子缆数相同。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的超导接头，其特征在于，沿所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接位置的横截面观察，所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆绞接形成第一绞接层和第二绞接层，所述第一绞接层和所述第二绞接层由内向外依次设置，且所述第一绞接层中的所述第一超导缆子缆和所述第一绞接层中的所述第二超导缆子缆依次周向间隔设置，所述第二绞接层中的所述第一超导缆子缆和所述第二绞接层中所述的第二超导缆子缆依次周向间隔设置。
4.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于，所述箍缩套的数量为多个，所述箍缩套沿所述第一超导缆和所述第二超导缆的绞接位置的轴向间隔设置。
5.根据权利要求1所述的超导接头，其特征在于，所述接头铠甲包括相互对接的第一壳体和第二壳体，所述第一壳体和所述第二壳体焊接连接。
6.一种基于CICC导体的同轴型搭接式超导接头的制备方法，用于生产如权利要求1-5中任一项所述的超导接头，其特征在于，包括以下步骤：
将所述第一超导缆和所述第二超导缆端部的中心螺线管去除；
对所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆进行端头封焊；
将所述箍缩套安装在所述第一超导缆和所述第二超导缆上；
将所述中心冷却管与所述第一超导缆的中心螺线管连接，将所述中心冷却管与所述第二超导缆的中心螺线管连接；
将所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆按照所述第一超导缆和所述第二超导缆的原始分级结构和截距进行互补绞接；
使用缩缆设备对所述第一超导缆和所述第二超导缆进行预缩径；
将所述箍缩套移至所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆的连接位置，使用缩管机将所述箍缩套收缩；
将所述接头铠甲安装在超导接头的外周上。
7.根据权利要求6所述的超导接头的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：
对所述第一超导缆子缆和所述第二超导缆子缆进行打磨处理。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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