CN118262966A - 一种基于高温超导材料的复合电流引线结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构，包括：第一段、第二段和第三段，所述第一段包括采用高导热材料的基材封装的超导带；所述第二段包括采用低导热材料的基底，其上固定有所述超导带；所述第三段采用高导热常规导体；所述第一段的一端为低温端，用于连接高温超导磁体，所述第一段的另一端为高温端，和所述第二段的一端机械连接；所述第二段的另一端的所述超导带引出焊接至所述第三段的一端。本发明通过将电流引线分为三段，三段引线分别工作于不同温区且依次连接，从而即可以满足磁体的传输电流需求，又降低了对磁体的传导热。

Description

一种基于高温超导材料的复合电流引线结构

技术领域

本发明属于高温超导引线技术领域，特别涉及一种基于高温超导材料的复合电流引线结构。

背景技术

超导磁体电流引线需满足两种需求，一是传输电流，二是降低常温到低温段的漏热。因此电流引线结构中既要考虑采用低电阻率的导电材料，又要包含低导热材料结构。但现有的超导磁体电流引线均未满足上述条件。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种基于高温超导材料的复合电流引线结构。

本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构，包括：第一段、第二段和第三段，

所述第一段包括采用高导热材料的基材封装的超导带；

所述第二段包括采用低导热材料的基底，其上固定有所述超导带；

所述第三段采用高导热常规导体；

所述第一段的一端为低温端，用于连接高温超导磁体，所述第一段的另一端为高温端，和所述第二段的一端机械连接；

所述第二段的另一端的所述超导带引出焊接至所述第三段的一端。

进一步，

所述第一段的基材为细长条形结构，宽度为15—25mm，高度为5—15mm；

所述基材一表面上沿所述基材的长度方向设有第一浅槽，所述第一浅槽从所述基材的一端延伸至另一端，所述第一浅槽的深度为1—3mm，宽度为10—20mm，所述第一浅槽中沿所述基材的长度方向焊接有所述超导带。

进一步，

所述第一段的基材为铜或铜合金；

所述基材的宽度为20mm，高度为10mm；

所述浅槽的深度为2mm，宽度为16mm。

进一步，

所述第一段的基材贴设有换热器，所述换热器设有一个进气口，一个出气口，所述换热器内部流通有温度为20K的冷氦气。

进一步，

所述第二段的基底为细长条形结构；

所述第二段的基底一表面上沿所述基底的长度方向设有第二浅槽，所述第二浅槽从所述基底的一端延伸至另一端，所述第二浅槽的深度和宽度与所述第一浅槽相同，所述第二浅槽中沿所述基底的长度方向焊接有所述超导带；

所述超导带的宽度为5-15mm，厚度为50-100μm，长度覆盖所述第一段和第二段直至第三段的一端；

所述第二段的基底的长度不超过700mm；

在所述第一段的高温端和所述第二段的一端的机械连接中，所述第一段的基材和第二段的基底搭接且接触处的面积为30×30—70×70mm²。

进一步，

所述第二段的基底材质采用不锈钢；

所述超导带是宽度为10mm、厚度为75μm的镀铜超导带，也是堆叠超导带；

所述第二段的基底的长度不超过500mm；

所述第一段的基材和第二段的基底的接触处的面积为50×50mm²。

进一步，

所述第二段的基底的表面镀镍，并采用6337焊锡将所述镀铜超导带钎焊在所述表面。

进一步，

所述第一段的基材和第二段的基底的接触处采用M6螺栓紧箍，所述接触处垫有铟片。

进一步，

所述第三段的一端为方型换热器，所述方型换热器的宽度为50-100mm，长度为90-150mm，厚度为20-40mm，所述方型换热器内设流道，所述方型换热器的一端设有接头槽，所述方型换热器的另一端与铜管连通，所述铜管与方型换热器内部流道联通；

所述第二段的另一端引出的所述超导带的端头呈阶梯状，其中堆叠的超导带由最上面一层至底层采依次剪短15-35mm，所述端头用6337焊锡焊接在所述接头槽中，焊锡长度为15-35mm，所述堆叠的超导带的底层超导带的超导面焊接于接头槽底，所述堆叠的超导带的最上面一层超导带顶头焊接于接头槽的端壁。

进一步，

所述方型换热器的宽度为80mm，长度为120mm，厚度为30mm；

所述方型换热器的另一端与所述铜管钎焊连接；

所述堆叠的超导带由最上面一层至底层采依次剪短25mm，所述焊锡长度为25mm；

所述第二段另一端的基底与所述第三段的一端采用机械连接固定；

所述高温超导磁体与第一段的一端用超导接头连接。

本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构通过将电流引线分为A段、B段和C段，A段、B段和C段分别工作于不同温区且依次连接，从而即可以满足磁体的传输电流需求，又降低了对磁体的传导热。

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基于高温超导材料的复合电流引线结构的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的基于高温超导材料的复合电流引线结构中的A段基材的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的基于高温超导材料的复合电流引线结构采用的高温超导十字接头的结构示意图一；

图4示出了根据本发明实施例的基于高温超导材料的复合电流引线结构采用的高温超导十字接头的结构示意图二；

图5示出了根据本发明实施例的基于高温超导材料的复合电流引线结构中的B段-C段接头的结构示意图。

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示出了本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构的结构示意图。参见图1，所述复合电流引线结构包括：A段（即第一段）、B段（即第二段）和C段（即第三段），A段、B段和C段分别工作于不同温区且采用不同的引线结构，即可以满足磁体如高温超导磁体的传输电流需求，也降低了对磁体的传导热。

图2示出了本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构中的A段基材的结构示意图。A段的结构是采用高导热材料例如铜或铜合金的基材封装超导带而成，A段基材的结构参见附图2。A段基材为细长条形结构，其两端分别与磁体和B段连接。A段基材的宽度为15—25mm、优选为20mm，高度为5—15mm、优选为10mm。A段基材一表面沿基材长度方向设有第一浅槽，第一浅槽从A段基材的一端延伸至另一端，其深度为1—3mm、优选为2mm，宽度为10—20mm、优选为16mm。第一浅槽中沿所述基材的长度方向焊接有堆叠超导带，所述堆叠超导带亦为镀铜超导带。A段结构尺寸可通过模拟得到，模拟时要考虑A段的两端分别与高温超导磁体和B段的对接强度，在满足通流和导热需求的条件下，A段的横截面最小，以减少A段整体重量。A段利用零电阻的超导带传输电流，利用高导热材料传热，可把磁体温度控制在不高于磁体运行温度（<=50K），且利用换热器可控制A段低温端和高温端温差尽量小。

高温超导磁体与A段的一端即低温端采用超导接头连接，所述超导接头可为高温超导磁体引出的超导带与A段的低温端引出的镀铜超导带焊接而成的高温超导十字接头。A段的另一端即高温端与B段的一端即低温端采用机械连接固定，同根镀铜超导带贯穿A段和B段用于导电。紧贴A段基材贴设有换热器，换热器用于吸收A段运行时的产生热量。换热器设有一个进气口，一个出气口，换热器内部流通有温度为20K（开）的冷氦气。所述机械连接中，A段的基材和B段的基底搭接且接触处的面积为30×30（长×宽）—70×70mm²、优选为50×50mm²，搭接处采用6个M6螺栓紧箍，6个M6螺栓分两排排布（每侧3个螺栓），接触处垫有铟片。带材取向根据实际空间布局做调整，比较灵活选择。

B段的基底为细长条形结构，其采用低导热材料例如不锈钢制成。B段基底一表面沿其长度方向设有第二浅槽，第二浅槽内沿其长度方向焊接有所述镀铜超导带，第二浅槽从B段基底的一端延伸至另一端。第二浅槽与第一浅槽连通，第二浅槽的宽度和深度与第一浅槽相同。B段的基底长度和横截面积，需要根据B段漏热及机械强度通过模拟进行优化设计。本发明基于B段基底与A段基材连接处允许的漏热量为2W（瓦），以及A段与C段的空间距离需要，确定B段基底的长度不能超过700mm、优选不能超过500mm。基于以上原则，再进一步通过模拟可优化得到B段的横截面和长度。所述镀铜超导带的宽度为5-15mm、优选为10mm，厚度为50-100μm、优选为75μm。镀铜超导带的长度需要覆盖A段和B段直至C段的一端即低温端。所述第一浅槽和第二浅槽可不止一条，但第一浅槽和第二浅槽条数相同且第一浅槽和第二浅槽一一对应连通。对应连通的一条第一浅槽和一条第二浅槽中焊接固定的镀铜超导带可不止一条。如，第一浅槽和第二浅槽均为平行的两条，且两条第一浅槽和两条第二浅槽一一对应连通形成两条平行的镀铜超导带浅槽，每条镀铜超导带浅槽中内焊接固定有两根所述镀铜超导带，此时，高温超导磁体与A段的一端即低温端间的连接结构采用的是如图3和图4所示的高温超导十字接头的结构，参见图3和图4，镀铜超导带从A段的一端即低温端引出，从磁体上单独设置的导线引出导槽中引出4根封装超导带，镀铜超导带和封装超导带均分两排平行排布，每排堆叠2根超导带，两排间距0.5-1.5mm（毫米），优选为1mm；镀铜超导带和封装超导带的长度由具体工况决定；镀铜超导带宽度为5-15mm，优选为10mm，厚度50-100μm（微米），优选为75μm；封装超导带宽度6-18mm，优选为12mm，厚度100-300μm，优选为200μm；镀铜超导带和封装超导带接头处采用6337焊锡焊接固定；镀铜超导带是加载在封装超导带之间，镀铜超导带是加载与封装超导带端头焊接且相互垂直固定。所述高温超导十字接头在77K下电阻值小于40nΩ（纳欧）。

B段的基底表面镀镍，并采用6337焊锡将镀铜超导带钎焊在表面，实现牢靠的机械固定和良好导热。B段利用零电阻的超导带传输电流，利用低导材料隔热，从而在B段两端建立温度梯度，使得B段的低温端的温度是A段的高温端运行温度（<=50K），B段的高温端的温度是C段的低温端运行温度（<=80K）。

图5为本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构中的B段-C段接头的结构示意图。B段的基底的另一端即高温端与C段的一端即低温端亦采用前述的机械连接固定：B段的高温端的基底与C段的低温端搭接且接触处的面积为30×30（长×宽）—70×70mm²、优选为50×50mm²，B段的高温端厚度为3-7mm、优选为5mm，搭接处采用6个M6螺栓紧箍，6个M6螺栓分两排排布（每侧3个螺栓），接触处垫有铟片。参见图5，B段的高温端的镀铜超导带引出焊接至C段上以供导电。B段高温端的镀铜超导带端头呈阶梯状，其中，堆叠超导带由最上面一层至底层采依次剪短15-35mm、优选为25mm，所述C段的一端上设有接头槽，B段高温端引出的镀铜超导带端头用6337焊锡焊接在C段的接头槽中，焊锡长度为15-35mm、优选为25mm，堆叠的的超导带的底层超导带的超导面焊接于接头槽底，堆叠的超导带的最上面一层超导带顶头焊接于接头槽的端壁。B段的高温端镀铜超导带与C段低温端的焊接处形成的接头具有电阻值、不超过300nΩ，焊接分布图详见图5。接头槽的个数根据具体工况确定。

所述C段的一端为方型换热器，方型换热器的宽度为50-100mm，优选80mm，长度为90-150mm，优选120mm，厚度为20-40mm，优选30mm。方型换热器内设流道，可以充分换热。方型换热器的一端设有所述接头槽，方型换热器的另一端与铜管钎焊连接，铜管与方型换热器内部流道联通，方型换热器与铜管组成整个C段。

C段材质采用了一种高导热常规导体（非超导体，例如，铜或铜合金），利用该材料本身传输电流，并将B段高温端温度过度到室温环境温度。具体而言，C段的铜管，根据磁体使用的装置的高度，可选择不同的长度，C段的低温端和高温端分别连接50K和300K温源，冷却介质在C段中流通为C段吸热降温。在综合考虑制造成本和实际安装便捷性后，C段的铜管可选择内直径为15-25mm，优选20mm，壁厚为5-10mm，优选7mm的铜管。

本发明提供的基于高温超导材料的复合电流引线结构通过将电流引线分为A段、B段和C段，A段、B段和C段分别工作于不同温区且依次连接，从而即可以满足磁体的传输电流需求，又降低了对磁体的传导热。

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 (9)

1.一种基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，包括：第一段、第二段和第三段，

所述第一段包括采用高导热材料的基材封装的超导带；

所述第二段包括采用低导热材料的基底，其上固定有所述超导带；

所述第三段采用高导热常规导体；

所述第一段的一端为低温端，用于连接高温超导磁体，所述第一段的另一端为高温端，和所述第二段的一端机械连接；

所述第二段的另一端的所述超导带引出焊接至所述第三段的一端；

所述第一段的基材为细长条形结构，宽度为15—25毫米，高度为5—15毫米；

所述基材一表面上沿所述基材的长度方向设有第一浅槽，所述第一浅槽从所述基材的一端延伸至另一端，所述第一浅槽的深度为1—3毫米，宽度为10—20毫米，所述第一浅槽中沿所述基材的长度方向焊接有所述超导带。

2.根据权利要求1所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第一段的基材为铜或铜合金；

所述基材的宽度为20毫米，高度为10毫米；

所述浅槽的深度为2毫米，宽度为16毫米。

3.根据权利要求1-2任一项所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第一段的基材贴设有换热器，所述换热器设有一个进气口，一个出气口，所述换热器内部流通有温度为20开的冷氦气。

4.根据权利要求1-2任一项所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第二段的基底为细长条形结构；

所述第二段的基底一表面上沿所述基底的长度方向设有第二浅槽，所述第二浅槽从所述基底的一端延伸至另一端，所述第二浅槽的深度和宽度与所述第一浅槽相同，所述第二浅槽中沿所述基底的长度方向焊接有所述超导带；

所述超导带的宽度为5-15毫米，厚度为50-100微米，长度覆盖所述第一段和第二段直至第三段的一端；

所述第二段的基底的长度不超过700毫米；

在所述第一段的高温端和所述第二段的一端的机械连接中，所述第一段的基材和第二段的基底搭接且接触处的面积为30×30—70×70毫米²。

5.根据权利要求4所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第二段的基底材质采用不锈钢；

所述超导带是宽度为10毫米、厚度为75微米的镀铜超导带，也是堆叠超导带；

所述第二段的基底的长度不超过500毫米；

所述第一段的基材和第二段的基底的接触处的面积为50×50毫米²。

6.根据权利要求5所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第二段的基底的表面镀镍，并采用6337焊锡将所述镀铜超导带钎焊在所述表面。

7.根据权利要求5所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第一段的基材和第二段的基底的接触处采用M6螺栓紧箍，所述接触处垫有铟片。

8.根据权利要求5所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述第三段的一端为方型换热器，所述方型换热器的宽度为50-100毫米，长度为90-150毫米，厚度为20-40毫米，所述方型换热器内设流道，所述方型换热器的一端设有接头槽，所述方型换热器的另一端与铜管连通，所述铜管与方型换热器内部流道联通；

所述第二段的另一端引出的所述超导带的端头呈阶梯状，其中堆叠的超导带由最上面一层至底层采依次剪短15-35毫米，所述端头用6337焊锡焊接在所述接头槽中，焊锡长度为15-35毫米，所述堆叠的超导带的底层超导带的超导面焊接于接头槽底，所述堆叠的超导带的最上面一层超导带顶头焊接于接头槽的端壁。

9.根据权利要求8所述的基于高温超导材料的复合电流引线结构，其特征在于，

所述方型换热器的宽度为80毫米，长度为120毫米，厚度为30毫米；

所述方型换热器的另一端与所述铜管钎焊连接；

所述堆叠的超导带由最上面一层至底层采依次剪短25毫米，所述焊锡长度为25毫米；

所述第二段另一端的基底与所述第三段的一端采用机械连接固定；

所述高温超导磁体与第一段的一端用超导接头连接。