CN117747198A - 超导电流引线冷却装置及冷却系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种超导电流引线冷却装置。超导电流引线冷却装置其包括真空罐体、导体；真空罐体内部依次连接有第一散热区和第二散热区，第一散热区和第二散热区之间设有超导电流引线，以实现电流从第一散热区导通至第二散热区；导体为两个，两个导体位于真空罐体的第一表面，以通过其中一个导体将电流导通至真空罐体内，从另一个导体将电流从真空罐体内导出；其中，超导电流引线的数量与导体的数量相对应，通过第一散热区和第二散热区的设定，在导体对2000A电流进行导通时，电流分别流过第一散热区和第二散热区，使电流引线充分的降温，使高温超导电流引线始终保持超导的特性，来保证磁体线圈通电的延续性。
Description
技术领域
本公开涉及超导线圈技术领域，尤其涉及超导电流引线冷却装置及冷却系统。
背景技术
传统超导磁体线圈分为浸泡式冷却、管路冷却与传导冷却。典型的浸泡式冷却的超导磁体线圈为液氦浸泡的NbTi超导磁体线圈：多采用插拔式铜电流引线，操作结束后，磁体进行闭环运行，此时可以将电流引线拔出磁体。该结构可以把铜线做的较粗以减少通电后的焦耳热，操作完成后可以将引线拔出从而避免电流引线自身引起的漏热。
管路冷却与传导冷却磁体，一般又分为运行在4.2K温区的NbTi超导线圈以及20K温区的高温超导磁体线圈。当前应用多采用得电流引线结构为：300K到77K温区采用铜线，77K到20K温区以下采用高温超导电流引线来冷却，GM制冷机对高温超导电流引线77K温区段进行传导冷却。
但是，现有两种结构所能承载的电流一般在1000A以下，对于运行电流超过2000A的超导磁体，如工业用超导磁体线圈，核聚变用高温超导线圈等，当焦耳热超过GM制冷机的功率时，多余的热量累积会导致电流引线升温，随着通电时间的增长，将导致高温超导电流引线的温度超过临界温度而失去超导特性，从而导致磁体线圈的通电不能延续。
发明内容
本公开所要解决的一个技术问题是：现有的散热结构对于电流超过1000A以上的高温超导电流的冷却效果不佳，进而导致电流引线在长时间的使用时市区超导特性，进而影响电流的传导。
为解决上述技术问题，本公开实施例提供一种超导电流引线冷却装置，其包括：
真空罐体，真空罐体内部依次连接有第一散热区和第二散热区，第一散热区和第二散热区之间设有超导电流引线，以实现电流从第一散热区导通至第二散热区；
导体，导体为两个，两个导体位于真空罐体的第一表面，以通过其中一个导体将电流导通至真空罐体内，从另一个导体将电流从真空罐体内导出；
其中，超导电流引线的数量与导体的数量相对应。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中第一散热区包括第一连接带和液氮桶，第一连接带的一端贯穿真空罐体与导体连接，第一连接带的另一端与液氮桶连接。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中液氮桶包括液氮桶本体、第一连接块、第二连接带、第一引线、第二连接块、进料管和出料管，进料管和出料管的一端与液氮桶本体连接，进料管和出料管的另一端贯穿液氮桶本体和真空罐体与外部装置连接，以向液氮桶本体输送液氮或排出氮气，第一连接块和第二连接块均位于液氮本体内，且第一连接块位于液氮桶本体上靠近第一连接带的一侧，以连接第一连接带和第二连接带，第一引线与第二连接带背离第一连接块的一端连接，第二连接块背离第二散热区的一侧与第一引线连接。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中第二连接块位于液氮桶本体上背离第一连接块的一侧，且第一连接块和第二连接块上设有陶瓷片，以实现对液氮桶本体的绝缘和密封；其中，陶瓷片位于第一连接块和第二连接块与液氮桶本体的接触面。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中进料管伸入液氮桶本体的长度大于出料管伸入液氮桶本体内部的长度。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中液氮桶本体的外部设有碳纤维连接架，以使液氮桶本体悬挂在真空罐体内。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中第二散热区包括冷屏散热区、超导线圈引线、超导线圈、铜编织线和制冷机，超导线圈和制冷机都位于冷屏散热区内，以吸收热量对超导线圈和制冷机进行降温，超导线圈引线的一端与超导电流引线连接，超导线圈引线的另一端与超导线圈连接，铜编织线用于连接超导线圈和制冷机。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中制冷机的输出端贯穿真空罐体，以排出制冷机吸收的热量。
在一些实施例中，前述的超导电流引线冷却装置，其中冷屏散热区包括金属冷屏和绝缘片，绝缘片的一端与超导电流引线连接，绝缘片的另一端与超导电流引线连接，以防止电流导通至金属冷屏。
本申请第二方面提供一种冷却系统，其包括前述的超导电流引线冷却装置。
通过上述技术方案，本公开提供的一种超导电流引线冷却装置，通过第一散热区和第二散热区的设定，在导体对2000A电流进行导通时，电流分别流过第一散热区和第二散热区，分别通过液氮和制冷机使电流引线充分的降温，使运行的温区控制在20K，，使高温超导电流引线始终保持超导的特性，来保证磁体线圈通电的延续性。
附图说明
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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例公开的超导电流引线冷却装置的剖视结构示意图；
附图标记说明：
1、真空罐体；2、第一散热区；21、第一连接带；22、液氮桶；221、液氮桶本体；222、第一连接块；223、第二连接带；224、第一引线；225、第二连接块；226、进料管；227、出料管；22、液氮桶；3、第二散热区；31、冷屏散热区；311、金属冷屏；312、绝缘片；32、超导线圈引线；33、超导线圈；34、铜编织线；35、制冷机；4、超导电流引线；5、导体；6、陶瓷片；7、碳纤维连接架。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本公开的原理，但不能用来限制本公开的范围，本公开可以以许多不同的形式实现，不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
本公开提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是大于或等于两个；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开和简化描述，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公开的限制。当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
此外，本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“垂直”并不是严格意义上的垂直，而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行，而是在误差允许范围之内。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。
还需要说明的是，在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。
本公开使用的所有术语与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
实施例一
参考附图1，本实施例公开了一种超导电流引线冷却装置，其包括真空罐体1、导体5；真空罐体1内部依次连接有第一散热区2和第二散热区3，第一散热区2和第二散热区3之间设有超导电流引线4，以实现电流从第一散热区2导通至第二散热区3；导体5为两个，两个导体5位于真空罐体1的第一表面，以通过其中一个导体5将电流导通至真空罐体1内，从另一个导体5将电流从真空罐体1内导出；其中，超导电流引线4的数量与导体5的数量相对应。
具体的，为了解决现有的超导电流引线4升温过快，仅靠制冷机35进行散热无法快速降温的问题，本实施例提供的超导电流引线4冷却装置，超导电流引线4在第一散热区2和第二散热区3的作用下，可有效的降低超导电流引线4的温度，保持超导电流引线4的超导特性。
其中，真空罐体1为金属不锈钢筒体，用于隔绝外部的环境，以保护超导电流引线4，同时其内部放置第一散热区2和第二散热区3，当电流在超导电流引线4之间导通经过第一散热区2和第二散热区3时，可实现降温。
其中，导体5为铜制导体5，且导体5为两个，电流从一个导体5导入从另一个导体5导出，在经过第一散热区2和第二散热区3时实现对超导电流引线4的散热。
其中，超导电流引线4为高温超导带材料ReBCO，该材料在77K温区下为超导态，且自身不产生热量，以更加耐高温，进而在第一散热区2和第二散热区3的作用下，可长时间的使用，保证实验的顺利进行。
根据上述所列，本公开提供的超导电流引线冷却装置，通过第一散热区2和第二散热区3的设定，超导电流引线4在进行2000A电流导通时，可对其有效的进行散热，进而可保持超导电流引线4的超导特性，实现超导电流引线4的导通，在对磁体线圈测试时保证通电的延续性。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，标识可以存在的三种关系，例如，A和/或B，具体地理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，第一散热区2包括第一连接带21和液氮桶22，第一连接带21的一端贯穿真空罐体1与导体5连接，第一连接带21的另一端与液氮桶22连接。
具体的，为了保证对超导电流引线4的散热效果，本实施例中第一散热区2包括第一连接带21和液氮桶22，第一连接带21为铜编织带，用于连接导体5与液氮桶22，实现电流的导通，可以理解的是，当电流经过第一连接带21时，根据焦耳热公式Q＝I2*R*t,其中的电阻为第一连接带21，可调整第一连接带21的长度来控制产生的热量，液氮桶22用于内部充满液氮，可对超导电流引线4进行冷却。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，液氮桶22包括液氮桶本体221、第一连接块222、第二连接带223、第一引线224、第二连接块225、进料管226和出料管227，进料管226和出料管227的一端与液氮桶本体221连接，进料管226和出料管227的另一端贯穿液氮桶本体221和真空罐体1与外部装置连接，以向液氮桶本体221输送液氮或排出氮气，第一连接块222和第二连接块225均位于液氮本体内，且第一连接块222位于液氮桶本体221上靠近第一连接带21的一侧，以连接第一连接带21和第二连接带223，第一引线224与第二连接带223背离第一连接块222的一端连接，第二连接块225背离第二散热区3的一侧与第一引线224连接。
具体的，为了实现电流的导通和对引线的散热，本实施例中，液氮桶22包括液氮桶本体221、第一连接块222、第二连接带223，第一引线224、第二连接块225，第一连接块222和第二连接块225为铜块，其中第一连接块222位于液氮桶本体221上靠近第一连接带21的一侧，可实现导通的电流从第一连接带21输送至第二连接带223，其中第二连接带223的结构同第一连接带21的结构相同也为铜编织带，第二连接带223背离第一连接块222的一侧连接有第一引线224，其中第一引线224可以但不限于高温超导电流引线，实现高电流的导通，通过第一引线224可将电流导通至第二连接块225，实现导通的电流通过第一连接块222-第二连接带223-第一引线224-第二连接块225的路径实现导通。
电流在导通至不同的位置时，产生的焦耳热不同，例如当电流在流过第二连接带223和第一连接块222时，产生的电阻为第二连接带223与第一连接块222的接触电阻，可通过压接和焊接技术使电阻保证在1微欧以下，来降低热量的产生；当电流在流过第二连接带223和第一引线224时，产生的电阻为第二连接带223与第一引线224的接触电阻，其中第一引线224可以选择低温焊料可以但不限于SnBi，在焊接第一引线224和第二连接带223时可控制电阻在100纳欧以下；同样当电流在流过第一引线224和第二连接块225时，产生的电阻为第一引线224与第二连接块225的接触电阻，在焊接第一引线224与第二连接块225时可控制电阻在100纳欧以下；其中在经过第二连接带223、第一连接块222和第二连接块225时，第一连接块222和第二连接块225本身也会产生传导热，此传导热与物体本身的横截面积的大小成正比，与其长度呈反比，进而第一连接块222和第二连接块225在进行连接时，需要考虑传导热的大小，来控制整体热量的产生。
具体的，液氮桶22还包含进料管226和出料管227，进料管226和出料管227与液氮桶本体221连接，进料管226和出料管227的另一端贯穿液氮桶本体221和真空罐体1与外部装置焊接连接，其中进料管226伸入液氮桶本体221的长度大于出料管227伸入液氮桶本体221内部的长度，可以理解的是，在向液氮桶本体221内部加入液氮时液氮经进料管226在液氮桶本体221的底部填充，液氮会吸收内部的温度，使液氮汽化变成氮气，达到降温的效果，最后从出料管227进行排出，完成对热量的吸收和排出，有利于降温操作的持续进行。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，第二连接块225位于液氮桶本体221上远离第一连接块222的一侧，且第一连接块22和第二连接块225上设有陶瓷片6，以实现对液氮桶本体221的绝缘与密封；其中，陶瓷片6位于第一连接块222和第二连接块225与液氮桶22本体221的接触面。
具体的，为了保证液氮桶本体221整体的密封效果，本实施例在第一连接块22和第二连接块225上设有陶瓷片6，其中陶瓷片6位于第一连接块22和第二连接块225与液氮桶本体221的接触面，以及第一连接块222和第二连接块225之间，一方面可提高第一连接块222和第二连接块225与液氮桶本体221接触面的密封性，同时在进行电路导通时，可以起到绝缘的效果，避免电流回流短路，以及液氮桶本体221带电存在触电的危险。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，液氮桶本体221的外部设有碳纤维连接架7，以使液氮桶本体221悬挂在真空罐体1内。
具体的，为了稳定固定液氮桶本体221，本实施例中，液氮桶22本体221的外部设有碳纤维连接架7，碳纤维连接架7的另一端固定在真空罐体1的内部，可以理解的是，通过碳纤维连接架7可使液氮桶本体221悬挂在真空罐体1的内部，一方面避免液氮桶本体221触碰真空罐体1内部出现触电的风险，同时碳纤维本身也不导电也可保证液氮桶本体221的安全，同时碳纤维整体质量低在保证稳定悬挂的同时也可减轻真空罐体1整体的重量。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，第二散热区3包括冷屏散热区31、超导线圈33引线32、超导线圈33、铜编织线34和制冷机35，超导线圈33和制冷机35都位于冷屏散热区31上，以吸收热量对超导线圈33和制冷机35进行降温，超导线圈33引线32的一端与超导电流引线4连接，超导线圈33引线32的另一端与超导线圈33连接，铜编织线34用于连接超导线圈33和制冷机35。
具体的，为了保证散热效果，本实施例中第二散热区3包括冷屏散热区31、超导线圈引线32、超导线圈33、铜编织带34和制冷机35，其中冷屏散热区31为合金框体包围在超导线圈引线32、超导线圈33，铜编织带34和制冷机35的外部，可吸收区域内的热量，其中超导电流引流线与超导线圈33引线32连接，超导电流线圈与超导线圈引线32连接，将电流导通超导线圈33进行测试，超导线圈33通过铜编织线34与制冷机35连接，其中制冷机35为GM制冷机35，GM制冷机35为本领域技术人员公知的技术，在次不做过多的赘述，同时制冷机35的输出端贯穿所述真空罐体，其中制冷机35包括压缩机(图中未示出)、一级冷头和二级冷头，一级冷头与冷屏散热区31连接，二级冷头与铜编织线34连接，可以理解的是，在一级冷头和压缩机的作用下可将冷屏散热区内部的热量，通过循环的氦气带走热量，控制环境的温度，进而降低电流的温度；在电流经过超导线圈33回路时，在二级冷头和压缩机的作用下通过循环的氦气带走热量，当电流在流过铜编织线34和超导线圈引线32时，产生的电阻为铜编织线34和超导线圈引线32接触电阻，可通过焊接技术使电阻保证在10纳欧以下，来降低热量的产生，此处的焦耳热被制冷机冷头的二级所带走。
在一些实施例中，参考附图1，本实施例提供的超导电流引线冷却装置，在具体实施中，冷屏散热区31包括金属冷屏311和绝缘片312，绝缘片312的一端与超导电流引线4连接，绝缘片312的另一端与金属冷屏311连接，以防止电流导通至金属冷屏311。
具体的，为了防止金属冷屏311导电，本实施例中，冷屏散热区31包括金属冷屏311和绝缘片312，其中绝缘片312可以但不限于为氮化铝，绝缘片312位于超导电流引线4与金属冷屏311之间，进而在电流进行导通时，不会使电流导通至金属冷屏311，使电流只能导通至超导线圈引线32，发生线圈供电失败的情况。
实施例二
本实施例提供一种冷却系统，其包括至少一超导电流引线冷却装置。具体的，超导电流引线冷却装置即为实施例1的超导电流引线冷却装置，具体结构及工作原理请参照实施例1的描述，在此不做过多赘述。
至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。
Claims (10)
1.一种超导电流引线冷却装置，其特征在于，包括：
真空罐体(1)，所述真空罐体(1)内部依次连接有第一散热区(2)和第二散热区(3)，所述第一散热区(2)和第二散热区(3)之间设有超导电流引线(4)，以实现电流从所述第一散热区(2)导通至所述第二散热区(3)；
导体(5)，所述导体(5)为两个，所述两个导体(5)位于所述真空罐体(1)的第一表面，以通过其中一个所述导体(5)将电流导通至所述真空罐体(1)内，从另一个所述导体(5)将电流从所述真空罐体(1)内导出；
其中，所述超导电流引线(4)的数量与所述导体(5)的数量相对应。
2.根据权利要求1所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述第一散热区(2)包括第一连接带(21)和液氮桶(22)，所述第一连接带(21)的一端贯穿所述真空罐体(1)与所述导体(5)连接，所述第一连接带(21)的另一端与所述液氮桶(22)连接。
3.根据权利要求2所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述液氮桶(22)包括液氮桶本体(221)、第一连接块(222)、第二连接带(223)、第一引线(224)、第二连接块(225)、进料管(226)和出料管(227)，所述进料管(226)和所述出料管(227)的一端与所述液氮桶本体(221)连接，所述进料管(226)和出料管(227)的另一端贯穿所述液氮桶本体(221)和所述真空罐体(1)与外部装置连接，以向所述液氮桶本体(221)输送液氮或排出氮气，所述第一连接块(222)和所述第二连接块(225)均位于所述液氮桶本体(221)内，且所述第一连接块(222)位于所述液氮桶本体(221)上靠近所述第一连接带(21)的一侧，以连接所述第一连接带(21)和所述第二连接带(223)，所述第一引线(224)与所述第二连接带(223)背离所述第一连接块(222)的一端连接，所述第二连接块(225)背离所述第二散热区(3)的一侧与所述第一引线(224)连接。
4.根据权利要求3所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述第二连接块(225)位于所述液氮桶本体(221)上远离所述第一连接块(222)的一侧，且所述第一连接块(222)和所述第二连接块(225)上设有陶瓷片(6)，以实现对所述液氮桶本体(221)的密封与绝缘；
其中，所述陶瓷片(6)位于所述第一连接块(222)和所述第二连接块(225)与所述液氮桶本体(221)的接触面。
5.根据权利要求3所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述进料管(226)伸入所述液氮桶本体(221)的长度大于所述出料管(227)伸入所述液氮桶本体(221)内部的长度。
6.根据权利要求3所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述液氮桶本体(221)的外部设有碳纤维连接架(7)，以使所述液氮桶本体(221)悬挂在所述真空罐体(1)内。
7.根据权利要求1所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述第二散热区(3)包括冷屏散热区(31)、超导线圈引线(32)、超导线圈(33)、铜编织线(34)和制冷机(35)，所述超导线圈(33)和所述制冷机(35)都位于所述冷屏散热区(31)内，以吸收热量对所述超导线圈(32)和所述制冷机(35)进行降温，所述超导线圈引线(32)的一端与所述超导电流引线(4)连接，所述超导线圈引线(32)的另一端与所述超导线圈(33)连接，所述铜编织线(34)用于连接所述超导线圈(33)和所述制冷机(35)。
8.根据权利要求7所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述制冷机(35)的输出端贯穿所述真空罐体(1)，以排出所述制冷机(35)吸收的热量。
9.根据权利要求7所述的超导电流引线冷却装置，其特征在于，
所述冷屏散热区(31)包括金属冷屏(311)和绝缘片(312)，所述绝缘片(312)的一端与所述超导电流引线(4)连接，所述绝缘片(312)的另一端与所述金属冷屏(311)连接，以防止电流导通至所述金属冷屏(311)。
10.一种冷却系统，其特征在于，其包括：
权利要求1-9任一所述超导电流引线冷却装置。
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