CN117894546B - 一种高温超导电流引线冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温超导电流引线技术领域，提供一种高温超导电流引线冷却装置，其包括：在高温超导磁体引出端的正极电流引线和负极电流引线，所述正极电流引线和负极电流引线均包括低温段、隔热段和高温段，所述正极电流引线和负极电流引线并排出线，且所述正极电流引线和负极电流引线的低温段间夹装一个换热器，所述正极电流引线和负极电流引线的高温段均为第二冷却结构，所述第二冷却结构主体为密封的长方盒体，所述第二冷却结构主体内部采用流道槽结构。本发明提高了高温超导电流引线的冷却效率。

Description

一种高温超导电流引线冷却装置

技术领域

本发明属于高温超导电流引线技术领域，特别涉及一种高温超导电流引线冷却装置。

背景技术

超导磁体是高温超导托卡马克装置的重要组成部分，超导磁体需要在低温下工作，且需采用正负极两根电流引线连接电源，电流引线需要被冷却以确保磁体能够运行在工作温度下。以往常见的方法是对两根电流引线分别用一个换热器分别进行冷却，该方法冷却效率低，不符合技术人员预期，因此，业界亟需高效的高温超导电流引线的冷却技术。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种高温超导电流引线冷却装置。

本发明提供的高温超导电流引线冷却装置，包括：在高温超导磁体引出端处的正极电流引线和负极电流引线，所述正极电流引线和负极电流引线均包括低温段、隔热段和高温段，

所述正极电流引线和负极电流引线并排出线，且所述正极电流引线和负极电流引线的低温段间夹装一个换热器；

所述正极电流引线和负极电流引线的低温段接触所述换热器的表面为第一表面，所述正极电流引线和负极电流引线的低温段与第一表面相对的表面为第二表面，所述正极电流引线的低温段的第一表面或第二表面和负极电流引线的低温段的第一表面或第二表面上均沿其长度方向设有超导带槽，共有两个所述超导带槽，两个所述超导带槽再分别在相应的隔热段表面沿其长度方向延伸后、继续分别在相应的高温段表面沿其长度方向延伸，两个所述超导带槽分别贯通相应的低温段，隔热段和高温段的表面，并抵达相应的高温段的一端，所述超导带槽所在的所述正极电流引线和负极电流引线的低温段的表面，视所述正极电流引线、负极电流引线与对应连接的正极引出槽和负极引出槽的相互位置而定；

所述超导带槽中嵌入堆叠的高温超导带并焊接固定。

进一步，

在所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器之间夹垫绝缘板，将所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器完全隔离开。

进一步，

所述绝缘板为环氧板；

在所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器外涂覆有耐低温环氧胶，所述耐低温环氧胶外湿绕捆绑有布材，涂覆和捆绑的区域完全包覆所述正极电流引线和负极电流引线的低温段夹持换热器的区段。

进一步，

所述环氧板为EPGC202或EPGC203环氧树脂板；

所述耐低温环氧胶为DW-3环氧型胶黏剂或2850环氧树脂；

所述布材选用玻璃丝布。

进一步，

所述换热器的主体为密封长方盒体，其内部采用流道槽结构；

所述换热器采用紫铜或无氧铜制成，所述换热器的长、宽、高分别为70~130毫米、15~25毫米、7~13毫米；

所述换热器中，每个流道深、宽、长分别为3~7毫米、2~4毫米、10~20毫米，流道条数为15~25，流道间距取值1~3毫米；

所述换热器的两端沿其宽度方向相对地分别设有氦管，用于所述流道槽内流通冷氦气。

进一步，

所述正极电流引线和负极电流引线的高温段均有第二冷却结构，所述第二冷却结构的主体为密封的长方盒体，所述第二冷却结构的主体内部采用流道槽结构；

所述第二冷却结构的主体长、宽、厚分别为100~160毫米、60~100毫米、20~40毫米；

所述第二冷却结构的主体内部的流道槽结构中，每个流道深、宽、长分别为15~25毫米、2~4毫米、80~150毫米，流道条数为15~25，流道间距取值1~3毫米。

进一步，

所述第二冷却结构的主体的一端设有固定用凸块和高温段内气体与其它冷却管路连接口；

所述第二冷却结构的主体的另一端引出冷却管，所述冷却管连接电源。

进一步，

所述换热器采用紫铜或无氧铜制成，所述换热器的长、宽、高分别为100毫米、20毫米、10毫米；

所述换热器中，每个流道深、宽、长分别为5毫米、3毫米、15毫米，流道条数为20，流道间距取值2毫米；

所述第二冷却结构的主体长、宽、厚分别为135毫米、80毫米、30毫米；

所述第二冷却结构的主体内部的流道槽结构中，每个流道深、宽、长分别为18毫米、3毫米、115毫米，流道条数为20，流道间距取值2毫米。

进一步，

所述低温段和高温段采用高纯无氧铜制成，所述隔热段采用耐腐蚀奥氏体不锈钢制成；

所述低温段长度为300~2500毫米，宽度为400~500毫米，厚度为8~10毫米；

所述隔热段长度为300~1000毫米，宽度为400~500毫米，厚度为8~10毫米；

所述超导带槽深3~5毫米，槽宽12~25毫米；

所述堆叠的高温超导带为4-5层堆叠的高温超导带，所述堆叠的高温超导带的厚度50-70微米，所述堆叠的高温超导带的宽度比槽宽小2mm；

所述冷却管为冷却铜管。

进一步，

所述超导带槽在所述低温段的一端设有十字接头槽，所述低温段内高温超导带留在所述十字接头槽中的长度部分不焊接，与超导磁体的超导带的接头做十字接头焊接搭接处理，然后一起焊接固定在所述十字接头槽内。

本发明提供的高温超导电流引线冷却装置，在A段，通过仅使用一个外置换热装置同时对正极和负极两根电流引线进行冷却；在C段，电流引线直接设计成换热盒体结构，提高了高温超导电流引线的冷却效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中低温段冷却结构的结构示意图一；

图3示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中低温段冷却结构的结构示意图二；

图4示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中低温段冷却结构中换热器结构示意图一；

图5示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中低温段冷却结构中换热器结构示意图二；

图6示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置总体结构图；

图7示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中高温段冷却结构的结构示意图一；

图8示出了根据本发明实施例的高温超导电流引线冷却装置中高温段冷却结构的结构示意图二。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请；本申请的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。本申请的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”、 “第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系。本申请中出现的“多个”指的是两个以上（包括两个）。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

图1所示为本发明实施例的高温超导电流引线结构，图2为本发明提供的高温超导电流引线冷却装置中A段冷却结构的结构示意图一。参见图1和图2，高温超导磁体的正极和负极需要分别单独供电，故在高温超导磁体引出端处分别设计了正极电流引线和负极电流引线，正极电流引线和负极电流引线分别连接超导磁体正极引出槽和负极引出槽中的正极引出端和负极引出端。高温超导磁体的每根电流引线即正极电流引线和负极电流引线均包括低温段、隔热段及高温段三部分，其中，低温段为靠近高温超导磁体的低温部分（以下简称A段），隔热段为中间的不锈钢段（以下简称B段），高温段为需要馈出连接电源的末端（以下简称C段），如图2所示。其中，A段和C段选用高纯无氧铜制成，B段选用耐腐蚀奥氏体不锈钢制成；A段长度为300~2500mm（毫米）不等，宽度为400~500mm；B段长度为300~1000mm不等，宽度也为400~500mm，A段和B段的具体长度、宽度根据磁体引出端到馈出口的距离及空间环境设定，正极电流引线的A段和负极电流引线的A段长度可不同，如图2所示，二者可相差正极引出槽和负极引出槽在这两个引出槽的高度方向上的距离。A段和B段的厚度为8~10mm。

由于正极电流引线和负极电流引线的高温段与低温段的所需冷却温度不同，存在温度梯度，因此为这两个部分分别设计冷却方案，即由于A、C段所处的温度区间是不同的，故本发明的电流引线的冷却装置在不同区段采用了不同的冷却结构：本发明仅使用一个外置换热装置同时对正极和负极两根电流引线在A段进行冷却；正极和负极电流引线的C段均直接设计成换热盒体结构。

具体而言，对于A段，高温超导磁体通过正极引出端和负极引出端的超导带的接头和正极和负极电流引线连接。图2和图3为本发明提供的高温超导电流引线冷却装置中A段冷却结构的结构示意图。参见图2，正极和负极电流引线并排出线；在正极电流引线和负极电流引线中间夹装一个换热器，同时在正极电流引线、负极电流引线和换热器之间夹垫绝缘板，将换热器和电流引线的正负极完全隔离开，使之能给电流引线的正负极同时进行冷却并保持绝缘，所述绝缘板可为环氧板如EPGC202或EPGC203环氧树脂板。在正负极电流引线和换热器外先涂覆耐低温环氧胶再用布材湿绕捆绑的方式加以固定，涂覆和捆绑的区域完全包覆电流引线的正负极夹持换热器的区段，形成如图3中所示的环氧湿绕区域。所述耐低温环氧胶可为DW-3环氧型胶黏剂或2850环氧树脂，所述布材可选用玻璃丝布。固定完成后换热器便不可拆卸且捆绑牢固，同时不会引起爬电。所述A段冷却结构、记为第一冷却结构包括所述换热器、绝缘板和环氧湿绕区域。正极电流引线、负极电流引线二者的A段与换热器接触的表面为内表面（即第一表面），则正极电流引线、负极电流引线二者的A段的另一表面（即第二表面）为外表面。在正线电流引线的A段的第一表面或第二表面和负极电流引线的A段的第一表面或第二表面上沿其长度方向设有槽，这两条槽再分别在相应的B段表面沿其长度方向延伸后、继续分别在相应的C段表面沿其长度方向延伸，这两条槽分别贯通相应的A段，B段和C段的表面，并抵达相应的C段的一端，长度灵活掌握，其中，槽所在的电流引线的A段的表面，视正极电流引线、负极电流引线与对应连接的正极引出槽和负极引出槽的相互位置而定，如参见图2，可在正线电流引线的A段的第二表面和负极电流引线的A段的第一表面上沿其长度方向设有槽，如正极电流引线、负极电流引线与对应连接的正极引出槽和负极引出槽的相互位置相对于图2发生变化，则改用正线电流引线的A段和负极电流引线的A段的相应表面设置槽。该槽为深3~5毫米、宽12~25mm的超导带槽，用来嵌入4-5层堆叠的高温超导带并焊接固定，所述焊接可为真空钎焊，焊料为6337锡铅焊料；堆叠的高温超导带厚度为50-70μm（微米），高温超导带的宽度适合槽宽，如可比槽宽小2mm,为10~23mm，长度根据电流引线灵活设计；超导带槽在A段的一端（即图1中A段的上端）有个十字接头槽，A段上端的超导带留在十字接头槽中的长度部分不焊接，与超导磁体的超导带的接头做十字接头焊接搭接处理，然后一起焊接固定在十字接头槽内，磁体引出端的超导带和电流引线的A段成垂直状态，使得电流引线空间走向上更加合理和灵活，还可以有效地控制接头电阻。所述正极和负极电流引线外均包裹绝缘材料如聚酰亚胺薄膜。

图4和图5为本发明提供的高温超导电流引线冷却装置中A段冷却结构中换热器结构示意图。参见图4和图5，可知，A段冷却结构中换热器的主体为密封长方盒体，其内部采用流道槽结构，流道槽上设有用于密封流道槽的盖板。换热器的两端沿其宽度方向相对地分别设有氦管，用于流道槽内流通冷氦气。换热器的结构起到加大导冷路径的作用，可充分冷却正负极电流引线A段。所述换热器可采用紫铜或无氧铜制成，所述换热器的长、宽、高分别为70~130mm、15~25mm、7~13mm，具体根据A段长度及正极、负极电流引线间距进行适配，可分别优选为100mm、20mm、10mm。换热器中，每个流道深、宽、长分别为3~7mm、2~4mm、10~20mm，可分别优选为5mm、3mm、15mm，流道条数为15~25，优选为20，流道间距取值1~3mm，优先取2mm。

图6为本发明提供的高温超导电流引线冷却装置总体结构图。参见图6，C段的需求冷量较大，继续采用类似上面所述的夹持换热的冷却结构无法满足导冷需求，因此对于正负极两根电流引线的采用分别冷却的结构，即正极电流引线和负极电流引线分别设有自己的冷却结构，二者结构相同，记为第二冷却结构。图7和图8为本发明提供的高温超导电流引线冷却装置中C段冷却结构的结构示意图。参见图7和图8，C段本身直接设计成一个自带冷却功能或者说自带换热结构的高温段结构，也就是说，C段自身就是C段冷却机构，即第二冷却结构，这样可以做到给高温超导带以更加充分地冷却，同时极大地节省另外附加换热器带来的空间局限，减轻了结构的负担。

参见图7，参考A段中换热器的结构，本发明将C段整体设计成带流道槽的、主体为密封的长方盒体（即C段盒体）的冷却结构，同时，长方盒体的一端设有固定用凸块和C段气体与其它冷却管路连接口，长方盒体的另一端引出冷却管如冷却铜管，冷却系统通入冷却气体（如冷氦气），冷却气体通过冷却管进入长方盒体，冷却管同时连接电源，即冷却管用于馈出连接电源和冷却系统。C段的盒体的长、宽、厚分别为100~160mm、60~100mm、20~40mm，具体根据实际空间环境距进行适配，可分别优选为135mm、80mm、30mm。C段的长方盒体内部采用流道槽结构，类似于A段，如图8所示，其中，每个流道深、宽、长分别为15~25mm、2~4mm、80~150mm，可分别优选为18mm、3mm、115mm，流道条数为15~25，优选为20，流道间距取值1~3mm，优先取2mm。

综上，本发明对于正负极电流引线，在A段，通过仅使用一个外置换热装置同时对正极和负极两根电流引线进行冷却；在C段，电流引线直接设计成换热盒体结构，提高了高温超导电流引线的冷却效率。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，包括：在高温超导磁体引出端处的正极电流引线和负极电流引线，所述正极电流引线和负极电流引线均包括低温段、隔热段和高温段，

所述正极电流引线和负极电流引线并排出线，且所述正极电流引线和负极电流引线的低温段间夹装一个换热器；

所述正极电流引线和负极电流引线的低温段接触所述换热器的表面为第一表面，所述正极电流引线和负极电流引线的低温段与第一表面相对的表面为第二表面，所述正极电流引线的低温段的第一表面或第二表面和负极电流引线的低温段的第一表面或第二表面上均沿其长度方向设有超导带槽，共有两个所述超导带槽，两个所述超导带槽再分别在相应的隔热段表面沿其长度方向延伸后、继续分别在相应的高温段表面沿其长度方向延伸，两个所述超导带槽分别贯通相应的低温段，隔热段和高温段的表面，并抵达相应的高温段的一端，所述超导带槽所在的所述正极电流引线和负极电流引线的低温段的表面，视所述正极电流引线、负极电流引线与对应连接的正极引出槽和负极引出槽的相互位置而定；

所述超导带槽中嵌入堆叠的高温超导带并焊接固定；

在所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器之间夹垫绝缘板，将所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器完全隔离开；

所述换热器的主体为密封长方盒体，其内部采用流道槽结构；

所述换热器采用紫铜或无氧铜制成，所述换热器的长、宽、高分别为70~130毫米、15~25毫米、7~13毫米；

所述换热器中，每个流道深、宽、长分别为3~7毫米、2~4毫米、10~20毫米，流道条数为15~25，流道间距取值1~3毫米；

所述换热器的两端沿其宽度方向相对地分别设有氦管，用于所述流道槽内流通冷氦气；

所述正极电流引线和负极电流引线的高温段均有第二冷却结构，所述第二冷却结构的主体为密封的长方盒体，所述第二冷却结构的主体内部采用流道槽结构；

所述第二冷却结构的主体长、宽、厚分别为100~160毫米、60~100毫米、20~40毫米；

所述第二冷却结构的主体内部的流道槽结构中，每个流道深、宽、长分别为15~25毫米、2~4毫米、80~150毫米，流道条数为15~25，流道间距取值1~3毫米。

2.根据权利要求1所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述绝缘板为环氧板；

在所述正极电流引线和负极电流引线的低温段和换热器外涂覆有耐低温环氧胶，所述耐低温环氧胶外湿绕捆绑有布材，涂覆和捆绑的区域完全包覆所述正极电流引线和负极电流引线的低温段夹持换热器的区段。

3.根据权利要求2所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述环氧板为EPGC202或EPGC203环氧树脂板；

所述耐低温环氧胶为DW-3环氧型胶黏剂或2850环氧树脂；

所述布材选用玻璃丝布。

4.根据权利要求1所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述第二冷却结构的主体的一端设有固定用凸块和高温段内气体与其它冷却管路连接口；

所述第二冷却结构的主体的另一端引出冷却管，所述冷却管连接电源。

5.根据权利要求4所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述换热器采用紫铜或无氧铜制成，所述换热器的长、宽、高分别为100毫米、20毫米、10毫米；

所述换热器中，每个流道深、宽、长分别为5毫米、3毫米、15毫米，流道条数为20，流道间距取值2毫米；

所述第二冷却结构的主体长、宽、厚分别为135毫米、80毫米、30毫米；

所述第二冷却结构的主体内部的流道槽结构中，每个流道深、宽、长分别为18毫米、3毫米、115毫米，流道条数为20，流道间距取值2毫米。

6.根据权利要求5所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述低温段和高温段采用高纯无氧铜制成，所述隔热段采用耐腐蚀奥氏体不锈钢制成；

所述低温段长度为300~2500毫米，宽度为400~500毫米，厚度为8~10毫米；

所述隔热段长度为300~1000毫米，宽度为400~500毫米，厚度为8~10毫米；

所述超导带槽深3~5毫米，槽宽12~25毫米；

所述堆叠的高温超导带为4-5层堆叠的高温超导带，所述堆叠的高温超导带的厚度50-70微米，所述堆叠的高温超导带的宽度比槽宽小2mm；

所述冷却管为冷却铜管。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高温超导电流引线冷却装置，其特征在于，

所述超导带槽在所述低温段的一端设有十字接头槽，所述低温段内高温超导带留在所述十字接头槽中的长度部分不焊接，与超导磁体的超导带的接头做十字接头焊接搭接处理，然后一起焊接固定在所述十字接头槽内。