CN117877830A - 电流引线组件及超导磁体设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种电流引线组件及超导磁体设备。包括：电流引线，部分位于真空腔室内，包括电连接电源的第一端和电连接超导磁体的第二端；第一端穿过真空腔室的密封法兰；换热器，位于真空腔室内，与电流引线热接触；低温气体管，位于真空腔室内，包括与换热器热接触的换热管、供低温气体进入的进气管和供低温气体排出的排气管；换热器与换热管热接触的传热面的面积大于预设值；第一冷源，包括冷却腔室，冷却腔室分别与进气管和排气管连通，用于对排气管内的气体进行降温后输入至进气管。本申请的技术方案，具有良好的冷却效果，且整个引线组件的体积小。

Description

电流引线组件及超导磁体设备

技术领域

本申请涉及超导磁体技术领域，特别是涉及一种电流引线组件及超导磁体设备。

背景技术

低温超导磁体在液氦(温度4.2K)中运行，由高温超导材料制成的磁体也需在液氮(77K)中运行，为磁体提供励磁的电源处于室温，连接室温电源和低温磁体的导体称为电流引线。有超导磁体的超导磁体系统运行时，希望尽可能降低其热负荷，从而减小系统制冷量，但在大型超导磁体系统中，电流引线往往是超导磁体系统的主要漏热源。

为了满足传输电流的要求，电流引线需要采用电的良导体制作，以降低电流传输过程中引起的焦耳热。而为了降低电流引线向低温系统传热，又需要采用热导率小的材料制作电流引线。但是，符合成本要求的电的良导体，例如金属材料，它同时也是热的良导体。所以，如何改进电流引线上的冷却装置，提高对电流引线的冷却效果，是需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决背景技术中存在的技术问题，而提供一种电流引线组件及超导磁体设备。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种电流引线组件，应用于超导磁体设备，所述超导磁体设备包括真空腔室、超导磁体和电流引线组件，所述电流引线组件包括：

电流引线，部分位于真空腔室内，包括电连接电源的第一端和电连接超导磁体的第二端；所述第一端穿过所述真空腔室的密封法兰；

换热器，位于所述真空腔室内，与所述电流引线热接触；

低温气体管，位于所述真空腔室内，包括与所述换热器热接触的换热管、供低温气体进入的进气管和供低温气体排出的排气管；所述换热器与所述换热管热接触的传热面的面积大于预设值；

第一冷源，包括冷却腔室，所述冷却腔室分别与所述进气管和所述排气管连通，用于对所述排气管内的气体进行降温后输入至所述进气管。

可选地，所述换热管的形状包括多次弯折，以增加与所述换热器的接触面积。

可选地，所述换热管的形状为盘旋形状。

可选地，所述换热管的形状为由内到外逐渐增大回旋尺寸的盘旋形状；所述进气管连接在所述换热管的盘旋形状的中心，所述排气光连接在所述换热管的盘旋形状的外侧。

可选地，所述换热器与所述换热管接触的一面设置有对应换热管的凹槽，以使所述换热管在径向上至少有部分嵌设于所述凹槽。

可选地，所述电流引线包括相互电连接的第一电流引线和第二电流引线，所述第一电流引线为常规电流引线，所述第二电流引线为高温超导电流引线；

所述第一电流引线远离所述第二电流引线的一端为所述第一端，所述第一电流引线连接所述第二电流引线的为第三端，所述第三端热接触所述换热器；

所述第二电流引线远离所述第一电流引线的一端为所述第二端，所述第二电流引线连接所述第一电流引线的一端为第四端，所述第四端热接触所述换热器。

可选地，所述电流引线组件还包括电过渡件，所述电过渡件的一端电连接所述第三端，另一端电连接所述第四端；所述电过渡件与所述换热器热接触，所述第三端和所述第四端通过所述电过渡件热接触所述换热器。

可选地，所述电过渡件与所述换热器通过焊接固定在一起，所述焊接所用的焊料的导热系数大于50W/(m·K)。

可选地，所述电流引线组件还包括：

第二冷源；

导冷件，一端热接触所述电流引线的第二端，另一端热接触所述第二冷源。

第二方面，本申请实施例提供一种超导磁体设备，包括：

真空腔室，包括容纳超导磁体的空腔和在空腔端部的密封法兰；

超导磁体，位于所述真空腔内；

上面所述的任意一种电流引线组件。

本申请实施例提供的电流引线组件及超导磁体设备，包括：电流引线，部分位于真空腔室内，包括电连接电源的第一端和电连接超导磁体的第二端；所述第一端穿过所述真空腔室的密封法兰；换热器，位于所述真空腔室内，与所述电流引线热接触；低温气体管，位于所述真空腔室内，包括与所述换热器热接触的换热管、供低温气体进入的进气管和供低温气体排出的排气管；所述换热器与所述换热管热接触的传热面的面积大于预设值；第一冷源，包括冷却腔室，所述冷却腔室分别与所述进气管和所述排气管连通，用于对所述排气管内的气体进行降温后输入至所述进气管。可见，本申请实施例的电流引线组件及超导磁体设备，设置换热器和低温气体管，低温气体管内的低温气体具有充足的冷量，通过换热器冷却电流引线，具有良好的冷却效果，且整个引线组件的体积小。因此，本申请实施例的电流引线组件及超导磁体设备，具有良好的冷却效果，且整个引线组件的体积小。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的电流引线组件的示意图；

图2为本申请实施例提供的电流引线组件的侧视方向的投影示意图；

图3为本申请实施例提供的电流引线组件的俯视方向的投影示意图；

图4为本申请实施例提供的电流引线组件中的低温气体管的示意图。

附图标记说明：

10、密封法兰；20、电流引线；21、第一电流引线；22、第二电流引线；30、换热器；40、低温气体管；41、换热管；42、进气管；43、排气管；50、电过渡件；61、导冷板；62、柔性导冷带。

具体实施方式

为使本申请的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式进行详细说明。其中，附图不一定是按比例绘制的，局部特征可以被放大或缩小，以更加清楚的显示局部特征的细节；除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与本申请所属的技术领域中的技术和科学术语的含义相同。

在本申请的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于本申请的简化描述，而不是指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，即不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，术语“第一”、“第二”仅用于描述清楚的目的，不能理解为所指示特征的相对重要性或所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等；“若干个”的含义是至少一个，例如一个、两个、三个等；另有明确具体的限定的除外。

在本申请中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等应做广义理解。例如，“连接”，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，还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申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的限定，第一特征在第二特征“上”、“之上”、“上方”和“上面”、“下”、“之下”、“下方”或“下面”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征的水平高度高于第二特征的水平高度。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征的水平高度小于第二特征的水平高度。

为彻底理解本申请，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本申请的技术方案。本申请的较佳实施例详细描述如下，然而除这些详细描述外，本申请还可以具有其它实施方式。

本申请的发明人在研发中发现，现有的二元电流引线的降温多是通过冷头传导的方式进行，而对于需要多根电流引线同时通电的工程项目，单个的冷头很难满足抵消其产生的热负荷，且冷头所需空间大，增大了外筒的尺寸，增加了占地面积。

因此，在发明人进一步的研发下，提出了如下的技术方案。

本申请实施例提供一种电流引线组件,应用于超导磁体设备，所述超导磁体设备包括真空腔室、超导磁体和电流引线组件。参考图1-图3，所述电流引线组件包括：

电流引线20，部分位于真空腔室内，包括电连接电源的第一端和电连接超导磁体的第二端；所述第一端穿过所述真空腔室的密封法兰10；

换热器30，位于所述真空腔室内，与所述电流引线20热接触；

低温气体管40，位于所述真空腔室内，包括与所述换热器30热接触的换热管41、供低温气体进入的进气管42和供低温气体排出的排气管43；所述换热器30与所述换热管41热接触的传热面的面积大于预设值；

第一冷源，包括冷却腔室，所述冷却腔室分别与所述进气管42和所述排气管43连通，用于对所述排气管43内的气体进行降温后输入至所述进气管42。

电磁体，可以通过产生的磁场，应用于工业生产中，例如应用于单晶硅的制造中。而超导磁体，能产生比普通电磁体更强的磁场，有利于相关的工业生产。超导磁体设备为包括超导磁体、能产生更强磁场的设备，且超导磁体设备也配置有提供超导磁体所需的低温环境的相关设施。

真空腔室，有助于维持低温环境，避免冷量流失。因此，超导磁体设备设置有真空腔室。

本实施例中，热接触可以是传导接触，但不限于此，必要的情况下，也可以通过对流、辐射等方式建立热接触。

具体地，所述换热器30由第一材料制成，且具有预设厚度，所述第一材料的导热系数大于200W/(m·K)。

这样，能够快速地将热量传导到换热管41。并且具有预设厚度，也具备在短时间内传导大量热量的能力。

具体地，所述第一材料可以是铜。

需要说明的是，低温气体可以是单位质量或单位体积的气体携带的冷量较多的气体。例如氦气、氮气等，但不限于此。即低温气体表示的是一种类型的气体，并不具体表征气体的温度。

同换热器30，低温气体管40也可以由第一材料制成。

所述换热器30的传热面的面积大于预设值，可以根据低温气体管40能提供的冷量进行确定。

第一冷源为低温气体管40内的气体提供冷量。具体地，低温气体进入进气管42前经过所述冷却腔室，得到冷却腔室的冷却；

具体地，低温气体管40的排气管43排出的低温气体会进入所述冷却腔室，升温后的低温气体再次被冷却后，重新进入低温气体管40。即低温气体在低温气体管40和第一冷源之间循环流动，在第一冷源处获得冷量，在低温气体管40内丧失部分冷量，然后在第一冷源处补充冷量，反复循环。

本申请实施例的电流引线组件，设置换热器30和低温气体管40，低温气体管40内的低温气体具有充足的冷量，通过换热器30冷却电流引线20，具有良好的冷却效果，且整个引线组件的体积小。

在一些实施例中，所述换热管41的形状包括多次弯折，以增加与所述换热器30的接触面积。

可以理解地，换热器30的传热面是一个连续的表面，而换热管41一般为细长的管子，以形成足够的气压。因此，换热管41需要设置相应的增加与换热器30接触面积的形状，例如多次弯折等，通过增加换热管41在传热面上的总长，增加与传热面热接触的面积。

在一些实施例中，所述预设形状为盘旋形状。

即在换热器30的传热面上围成一个周向的圈，相对直线延伸，增大了与传热面的热接触的面积。圈可以是圆形，也可以是方形等。

在一些实施例中，所述预设形状为由内到外逐渐增大回旋尺寸的盘旋形状；所述进气管42连接在所述换热管41的盘旋形状的中心，所述排气光连接在所述换热管41的盘旋形状的外侧。

即由内到外，周向圈的圈径逐渐增大，类似于平面螺旋。进气管42在盘旋形状的中心，可以使换热管41的冷量的分布更均匀。因为，进气管42所在的位置是冷量最足的区域，然后从中心向四周扩散，使得冷量的差别在于中心和外围的差别，而同在外围的两端的差别不大，不会影响换热器30的冷却能力。

进一步地，本申请实施例的电流引线组件，可以在一个换热器30对应设置多个电流引线20，由于换热器30的冷量是从中心向四周扩散的。因此，可以使得各个不同位置的电流引线20都有良好的冷却效果。

在一些实施例中，所述预设形状为转弯均为直角的盘旋形状。

即周向的圈是方形的，类似于回字形，回字从内到外逐渐增大，参见图4。

在一些实施例中，所述换热器30与所述换热管41接触的一面设置有对应换热管41的凹槽(未在图中示出)，以使所述换热管41在径向上至少有部分嵌设于所述凹槽。

这样，进一步增加了换热管41和换热器30的传热面的接触面积，提高冷却效果。

具体地，凹槽可以是半圆形槽，已对应换热管41一般是圆形管的设置。

在一些实施例中，所述电流引线20包括相互电连接的第一电流引线21和第二电流引线22，所述第一电流引线21为常规电流引线，所述第二电流引线22为高温超导电流引线；

所述第一电流引线21远离所述第二电流引线22的一端为所述第一端，所述第一电流引线21连接所述第二电流引线22的为第三端，所述第三端热接触所述换热器30；

所述第二电流引线22远离所述第一电流引线21的一端为所述第二端，所述第二电流引线22连接所述第一电流引线21的一端为第四端，所述第四端热接触所述换热器30。

将电流引线20分为常规电流引线和高温超导电流引线，可以进一步减少漏热。

在一些实施例中，所述电流引线组件还包括电过渡件50，所述电过渡件50的一端电连接所述第三端，另一端电连接所述第四端；所述电过渡件50与所述换热器30热接触，所述第三端和所述第四端通过所述电过渡件50热接触所述换热器30。

由于第一电流引线21和第二电流引线22之间存在较大的温度差，因此，需要电过渡件50予以过渡，即电过渡件50不仅起到将第一电流引线21和第二电流引线22电连接的作用，也起到减少两个电流引线20的温度差的作用。

可以理解地，所述电过渡件50与所述换热器30热接触，还因为第一电流引线21的温度往往高于第二电流引线22。因此，电过渡件50可以将第一电流引线21的热量传导至所述换热器30进行冷却，减少了与第二电流引线22的温度差。

在一些实施例中，所述电过渡件50与所述换热器30通过焊接固定在一起，所述焊接所用的焊料的导热系数大于50W/(m·K)。W/(m·K)为导热系数，中文为瓦/米·度，有的时候，K可用℃代替，有时候也表达为W/m·K。

由于单独的机械接触形成的热接触，并不稳定，可能存在间隙，也可能会因为受力不均，或表面不平整等导致接触不佳，这些均会降低热传导效率。因此通过采用导热系数大的焊料进行焊接固定，可以提高热传导效率。

具体地，焊料可以是含银焊锡。

在一些实施例中，所述电流引线组件还包括：

第二冷源；

导冷件，一端热接触所述电流引线20的第二端，另一端热接触所述第二冷源。

通过第二冷源，可以进一步地冷却电流引线20。

在一些实施例中，所述导冷件包括相互连接的导冷板61和柔性导冷带62，所述导冷板61的远离所述柔性导冷带62的一端热接触所述第二端，所述柔性导冷带62远离所述导冷板61的一端热接触所述第二冷源。

将导冷件设置为包括柔性导冷带62，可以利用柔性导冷带62的柔性，更好的热接触第二冷源。

具体地，第二冷源可以是超导磁体。超导磁体本身是处于超导状态的低温，因此，可以通过导冷件与所述电流引线20热接触。这样超导磁体的冷量有多余的情况下，可以将冷量输送给电流引线20，提高电流引线20的冷却能力。否则，也可以从电流引线20处获得冷量，同时增加了电流引线20和超导磁体的冷却裕量。

具体地，下面简单介绍一下本申请实施例中电流引线20的设计过程。

第一，确定电流引线20的直径及长度，这是根据具体的设备和应用场景确定的，为本领域技术人员所熟知，不作展开。

第二，确定漏热。可以根据电流引线20的额定电流，及以上确定的电流引线20直径和长度确定，为本领域技术人员所熟知，不作展开。

第三，换热器30面积的确定。根据设备进出口温度、进出口压力、换热管41的管径和换热器30需要冷却的负荷进行试算。确定换热器30面积后，还需要校验，根据校验结果，调整相关参数，再次进行试算。整个过程需要多次试算，直至校验符合要求。

具体地，参见图1，本申请的一个具体实施例可以包括两组电流引线20，一组的额定电流为50A，另一组的额定电流为150A。每一组电流引线20均配置有上面介绍的这些特征，即换热器30，低温气体管40和第一冷源等，不再赘述。

从图中可以看出，两组电流引线20分别在密封法兰10的相对的两侧，每一组均设置三根电流引线组件。这样，可以充分利用圆形密封法兰10的横截面。

同组的电流引线组件的额定电流是一样的，即一组均为50A，另一组均为150A。

本申请实施例还提供一种超导磁体设备，所述超导磁体设备包括：

真空腔室，包括容纳超导磁体的空腔和在空腔端部的密封法兰10；

超导磁体，位于所述真空腔内；

上面所述的电流引线组件。

所述电流引线组件还包括导冷件，导冷件的一端热接触电流引线20的第二端，另一端热接触所述超导磁体。

本申请实施例的超导磁体设备，设置换热器30和低温气体管40，低温气体管40内的低温气体具有充足的冷量，通过换热器30冷却电流引线20，具有良好的冷却效果，且整个引线组件的体积小。

应当理解，以上实施例均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在以上实施例的基础上做出各种变形和改变。同样的，也可以对以上实施例的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没有被明确描述的本申请的另外的实施例。因此，上述实施例仅表达本申请的几种实施方式，不对本申请专利的保护范围进行限制。

Claims (10)

1.一种电流引线组件，应用于超导磁体设备，所述超导磁体设备包括真空腔室、超导磁体和电流引线组件，其特征在于，所述电流引线组件包括：

电流引线，部分位于真空腔室内，包括电连接电源的第一端和电连接超导磁体的第二端；所述第一端穿过所述真空腔室的密封法兰；

换热器，位于所述真空腔室内，与所述电流引线热接触；

低温气体管，位于所述真空腔室内，包括与所述换热器热接触的换热管、供低温气体进入的进气管和供低温气体排出的排气管；所述换热器与所述换热管热接触的传热面的面积大于预设值；

第一冷源，包括冷却腔室，所述冷却腔室分别与所述进气管和所述排气管连通，用于对所述排气管内的气体进行降温后输入至所述进气管。

2.根据权利要求1所述的电流引线组件，其特征在于，所述换热管的形状包括多次弯折，以增加与所述换热器的接触面积。

3.根据权利要求2所述的电流引线组件，其特征在于，所述换热管的形状为盘旋形状。

4.根据权利要求2所述的电流引线组件，其特征在于，所述换热管的形状为由内到外逐渐增大回旋尺寸的盘旋形状；所述进气管连接在所述换热管的盘旋形状的中心，所述排气光连接在所述换热管的盘旋形状的外侧。

5.根据权利要求1所述的电流引线组件，其特征在于，所述换热器与所述换热管接触的一面设置有对应换热管的凹槽，以使所述换热管在径向上至少有部分嵌设于所述凹槽。

6.根据权利要求2所述的电流引线组件，其特征在于，所述电流引线包括相互电连接的第一电流引线和第二电流引线，所述第一电流引线为常规电流引线，所述第二电流引线为高温超导电流引线；

所述第一电流引线远离所述第二电流引线的一端为所述第一端，所述第一电流引线连接所述第二电流引线的为第三端，所述第三端热接触所述换热器；

所述第二电流引线远离所述第一电流引线的一端为所述第二端，所述第二电流引线连接所述第一电流引线的一端为第四端，所述第四端热接触所述换热器。

7.根据权利要求6所述的电流引线组件，其特征在于，所述电流引线组件还包括电过渡件，所述电过渡件的一端电连接所述第三端，另一端电连接所述第四端；所述电过渡件与所述换热器热接触，所述第三端和所述第四端通过所述电过渡件热接触所述换热器。

8.根据权利要求7所述的电流引线组件，其特征在于，所述电过渡件与所述换热器通过焊接固定在一起，所述焊接所用的焊料的导热系数大于50W/(m·K)。

9.根据权利要求1-8任一项所述的电流引线组件，其特征在于，所述电流引线组件还包括：

第二冷源；

导冷件，一端热接触所述电流引线的第二端，另一端热接触所述第二冷源。

10.一种超导磁体设备，其特征在于，包括：

真空腔室，包括容纳超导磁体的空腔和在空腔端部的密封法兰；

超导磁体，位于所述真空腔内；

权利要求1-9任一项所述的电流引线组件。