CN118335445A - 用于接头的热沉组件、高温超导带材组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及超导电工技术领域，具体提供了一种用于接头的热沉组件以及包含该热沉组件的高温超导带材组件，相邻的超导带材在接头处彼此串接，所述热沉组件包括热沉基体，所述热沉基体上沿第一方向延伸有条状间隙，所述热沉基体上沿第二方向延伸有第一条状部分；其中，所述条状间隙的至少一部分处于接头对应的超导带材所在的平面；其中，所述第一条状部分的至少一部分与接头对应的超导带材所在的平面之间具有夹角。通过这样的构成，能够谋求通过多方向的导热组合将接头部位产生的热量及时地导出。

Description

用于接头的热沉组件、高温超导带材组件

技术领域

本发明属于超导电工技术领域，具体提供一种用于接头的热沉组件以及包含该热沉组件的高温超导带材组件。

背景技术

高温超导线圈是采用高温超导带材绕制而成的具有超导特性的载流绕组，目前可以批量获得的高温超导带材(如YBCO、Bi-2223等)的截面形状大致为矩形，且目前可以批量获得的单根高温超导带材的长度通常仅为百米量级，即长度较为有限，不过，通常高温超导线圈总的线匝长度可达到数km甚至数十km。因此，在实际应用中，超导线圈中必然会存在大量的超导带材之间的串联接头。

目前，高温超导带材之间的接头无法实现超导连接，即：彼此串联的高温超导带材之间在接头处会存在一定的电阻，如该电阻通常为数十至数百nΩ的量级。不难理解，具体而言，假设该接头的电阻为100nΩ，则在传输200A的电流时，接头的发热功率将达到4mW(Q＝I²R)。加之高温超导线圈一般均为紧密绕制的结构形式，且其采用环氧树脂等材料进行固化导致高温超导线圈的热传导性能差。基于此，假设不能及时地将产生的热量传导出，高温超导线圈的接头部位必然会产生明显的局部温升，而温度的上升往往会导致高温超导线圈的载流性能降低。换言之，如果高温超导线圈的接头部位的产热问题得不到有效的处理，将会大幅度地降低高温超导线圈的热稳定性。

为了提高超导带材在接头处的导热性能，研究者尝试采用了如下的手段：

在接头处增加金属铜/铝箔。以在接头处增加金属铝为例，因为增加的金属箔的厚度通常仅为0.1mm左右，由于金属箔的边沿会存在局部的电场集中，则将会影响高温超导线圈的绝缘性能。以及，金属箔在高温超导线圈快速磁通变化时会感应出涡流发热，反而会影响高温超导线圈的热稳定性。此外，金属箔在高温超导线圈固化过程中与环氧树脂等固化材料粘接性不好，因此，该方式既阻碍了固化过程中的树脂流动，也会导致固化后的金属箔的内外两侧的材料出现脱层的问题，进而影响了高温超导线圈的整体结构强度。

在环氧树脂等固化材料中掺杂高导热的氮化铝材料。不过，环氧树脂材料在掺杂高导热材料后会出现黏度大幅增加的现象，因此对于密绕的高温超导线圈而言，掺杂的高导热材料极难渗入，即便渗入其数量也极为有限，因此，该方式对接头部位的导热效果的提升极为有限。

相应地，本领域需要一种新的技术方案来至少一定程度地解决上述问题和/或解决上述问题中的至少一部分。

发明内容

本发明主要是针对相邻的超导带材串接的接头部位由于发热量过大导致的局部过热问题，提出一种可行的接头冷却方案。

有鉴于此，第一方面，本发明提供了一种接头组件，相邻的超导带材在接头处彼此串接，所述热沉组件包括热沉基体，所述热沉基体上沿第一方向延伸有条状间隙，所述热沉基体上沿第二方向延伸有第一条状部分；其中，所述条状间隙的至少一部分处于接头对应的超导带材所在的平面；其中，所述第一条状部分的至少一部分与接头对应的超导带材所在的平面之间具有夹角。

通过这样的构成，能够谋求通过多方向的导热组合将接头部位产生的热量及时地导出。

可以理解的是，本领域技术人员根据实际需求确定条状间隙的结构形式、个数以及各个条状间隙在超导带材平面内的相对位置等。如不同的条状间隙之间可以具有夹角、条状间隙可以为直线、折线、曲线及其组合等。

此外，可以理解的是，本领域技术人员根据实际需求确定第一条状部分的结构形式、个数以及各个第一条状部分与超导带材所在的平面之间的夹角。如不同的第一条状部分与超导带材所在的平面之间的夹角可以相同或者不同，不同的第一条状部分的结构可以相同或者不同，不同的第一条状部分可以共面、非共面、平行、非平行等。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述热沉基体上沿第一方向延伸有第二条状部分，相邻的所述第二条状部分之间形成所述条状间隙。

通过这样的构成，给出了条状间隙的可能的形成方式。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述热沉基体上沿与超导带材的长度方向延伸有多个所述条状间隙。

通过这样的构成，给出了条状间隙延伸的第一方向的一种具体的形式。如基于此，能够谋求通过将接头部分产生的热量导出至超导带材，从而谋求降低温升。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述第一条状部分包括：第一子条状部分，其由所述热沉基体沿所述第二方向延伸；第二子条状部分，其由所述第一子条状部分沿与所述第二方向具有夹角的第三方向延伸。

通过这样的构成，给出了第一条状部分的可能的结构形式。

可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需求确定第二/第三方向的具体形式、第一/第二子条状部分的结构形式、各个第一/第二子条状部分之间的相对位置关系等。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述第一子条状部分由所述热沉基体沿与超导带材相垂直的方向延伸而成；并且/或者所述第二子条状部分由所述第一子条状部分沿与超导带材错在的平面相平行的方向延伸而成。

通过这样的构成，给出了第二方向和第三方向的具体形式。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述第一子条状部分和所述第二子条状部分在展开在同一平面内的状态下能够容纳于相应位置的所述条状间隙。

通过这样的构成，给出了第一条状部分和条状间隙组件热沉组件的一种具体方式。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，在所述热沉基体上以切割出所述第一条状部分的同时形成所述条状间隙；并且/或者所述热沉基体为柔质结构。

通过这样的构成，给出了第一条状部分和条状间隙的形成方式。柔质结构能够便于切割以及相应的弯折操作。

对于上述用于接头的导热组件，在一种可能的实施方式中，所述热沉基体包括第一基体以及第二基体，其中，所述第一条状部分和所述第二条状部分设置于或者形成于所述第二基体，所述第一基体能够覆盖所述接头的至少一部分。

通过这样的构成，给出了热沉基体的一种具体的结构形式。

在第二方面，本发明提供了一种高温超导带材组件，该高温超导带材组件包括前述任一项所述的用于接头的热沉组件。

可以理解的是，该高温超导带材组件具有前述任一项所述的用于接头的热沉组件的所有技术效果，在此不再赘述，

对于上述高温超导带材组件，在一种可能的实施方式中，同一个接头配置有两个所述热沉组件，在组装好的状态下，两个所述热沉组件的热沉基体的第一基体分别覆盖至所述接头的两个表面的至少一部分上。

通过这样的构成，能够谋求更好地将接头部分的热量导出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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示出本发明一种实施例的包含接头的热沉组件的结构示意图；

图2示出本发明一种实施例的用于接头的热沉组件中形成接头的超导带材组件的结构示意图；

图3示出本发明一种实施例的用于接头的热沉组件所采用的纤维布的规格示意图一；

图4示出本发明一种实施例的用于接头的热沉组件所采用的纤维布的规格示意图二；

图5示出本发明一种实施例的不包含接头的热沉组件的结构示意图；

图6示出本发明一种实施例的热沉组件中第一热沉组件的安装示意图；

图7示出本发明一种实施例的热沉组件中第二热沉组件的安装示意图；以及

图8示出本发明一种实施例的热沉组件在高温超导线圈上的安装示意图。

附图中：

1、第一超导带材；

2、第二超导带材；

3、接头；

41、第一热沉组件；

411、第一条状部分；

4111、第一子条状部分；4112、第二条状部分；

412、第二条状部分；

413、热沉基体；

4131、第一基体；4132、第二基体；

414、条状间隙；

42、第二热沉组件。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节，本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的高温超导线圈、超导带材、接头的结构形式、原理等未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

主要参照图1和图2，图1示出本发明一种实施例的超导带材的接头组件的结构示意图，图2示出本发明一种实施例的用于接头的热沉组件中形成接头的超导带材组件的结构示意图。如图1和图2所示，在一种可能的实施方式中，超导带材组件中相邻的超导带材之间在接头的位置处通过焊接的方式彼此串接。如在本示例中，彼此串接的一对分别记作第一超导带材1和第二超导带材2，二者串接形成的接头3与常规的超导带材接头大致相同。用于接头的热沉组件主要用于对接头进行辅助冷却以谋求有效地避免在接头处产生局部过热的现象。换言之，通过为接头配置热沉组件，旨在将接头产生的热量及时地从接头处导出，从而谋求对接头进行快速、有效的冷却。

在一种可能的实施方式中，热沉组件包括两个，如分别记作第一热沉组件41和第二热沉组件42，在本示例中，第一热沉组件和第二热沉组件的基本结构大致相同，且均采用具有高导热属性的非金属材料的柔质基体(如纤维布等)制作，如较为常见的材料为高导热碳纤维布。下面以第一热沉组件为例来说明。

在本发明中，由于接头的导电部位是高电位，热沉组件需要沿高温超导线圈的径向跨过多条超导带材，因此为了避免出现由此导致的短路现象，热沉组件采用具有绝缘属性的非金属材料。此外，由于本发明中的热沉组件还需要具有一定的柔性，在满足这两个条件的情形下，除了高导热碳纤维布，还可以采用如包括但不限于粘接高导热非金属粉末(如氮化铝、氧化铝、碳化硅等)的玻璃纤维布、聚酰亚胺纤维布、聚酰胺纤维布等。

在一种可能的实施方式中，第一热沉组件41包括热沉基体413，所述热沉基体上沿与超导带材的长度方向相垂直的方向延伸有多个条状间隙414，所述热沉基体413上沿与超导带材相垂直的方向延伸出第一条状部分411。

在一种可能的实施方式中，所述第一条状部分411包括与所述超导带材垂直的第一子条状部分4111以及由所述第一子条状部分4111沿与所述条状间隙平行的方向延伸的第二条状部分4112。

在一种可能的实施方式中，所述第一子条状部分4111和所述第二子条状部分4112在展开在同一平面内的状态下能够恰好与相应位置的所述条状间隙相适配。如在本示例中，是在所述热沉基体413上切割出条状结构并形成所述条状间隙414。

在一种可能的实施方式中，所述热沉基体413包括第一基体4131以及第二基体4132，所述第一条状部分411和第二条状部分412设置于或者形成于所述第二基体4132，所述第一基体4131能够覆盖所述接头的至少一部分。

示例性地，可以将热沉基体按照一定规律切割成条状，在制作时，由于条状间隙的形成，热沉基体上具有在水平面内沿与超导带材的宽度方向延伸的多个第二条状部分，多个第一条状部分和多个第二条状部分将纤维布条间隔地分为两组，其中，一组(第二条状部分)直接贴合在实现超导带材绕制的同一平面上；另一组则沿超导线圈的径向引出。这样一来，在超导线圈的所有线匝都绕制完毕后，将第一条状部分弯折后，使第一条状部分中的第二子条状部分紧密第贴附在线匝的最外侧。

在本示例中，第一超导带材在第二超导带材的上方，第一热沉组件的第一基体压在第一超导带材对应于接头位置的下方，第二热沉组件的第一基体压在第二超导带材对应于超导带材接头的上方。因此，整个超导带材接头的上、下表面均被热沉组件的第一基体覆盖，这样一来，便有望将超导带材接头产生的热量快速的传导至第一热沉组件和第二热沉组件的第一基体，并通过第一热沉组件和第二热沉组件的第二基体将超导带材接头产生的热量及时地扩散至周边，在第一基体的基础上，通过对第二基体进行结构上的分割，以及在分割之后对不同的子条状部分的延伸方向进行差异化的设置。第一基体与第二基体的组合不仅增加了热传导面积，还实现了热传导目标方向的多样化，因此很好地避免了超导带材接头产生的热量出现局部集中的现象。尤其对于其中的第二子条状部分而言，由于热量能够借助于二子条状部分导出至高温超导线圈的最外侧，而高温超导线圈的最外侧通常会配置有与高导热连接相关的结构，因此，基于这样的设置能够将第一热沉组件和第二热沉组件导出的热量及时地带走。

与上述结构相对应，主要参照图2至图7，在一种可能的实施方式中，用于接头的热沉组件的制作方法主要包括如下步骤：

S10、完成超导带材的接头焊接。如所用超导带材(即第一超导带材和第二超导带材)的焊接部分的长度为L1、超导带材的宽度为W_tape(参照图2)。

S20、(第一、第二)热沉组件的原材准备。由于在本示例中，二者的结构以及制作参数等基本一致，因此下面仍以其中的第一热沉组件为例来进行说明。在本示例中，第一热沉组件的原材采用具有高导热特性的非金属材料纤维布制作(如碳纤维布)。如(第一、第二)热沉组件的原材大致为一块矩形结构的碳纤维布。为了避免碳纤维布太厚影响超导线圈表面的平整性，如碳纤维布的厚度为0.2-0.5mm，在此基础上，如可以进行如下的步骤：

21)可裁切出长度为L、宽度为W的碳纤维布，其中，可选择长度L为超导带材接头长度L1的3-5倍左右；可选择宽度W为高温超导线圈的径向尺寸(半径)的1.5-3倍左右。

22)在裁切完成之后，将碳纤维布沿宽度方向进行裁剪，从而在形成条状间隙的同时产生第一条状部分以及第二条状部分。在本示例中，裁剪使得第一条状部分以及第二条状部分大致为均匀分布的形式。其中，裁剪后的纤维布条(第一条状部分以及第二条状部分)的数量可以根据纤维布的实际长度L进行选择，一般可以选择纤维布条的数量N为6-10条；由此可得裁剪的宽度L0＝L/N。裁剪的纤维布条的常度W0为W-W_tape，其中，保留大致与超导带材的宽度相同的部分不进行裁剪，即作为(第一、第二)热沉组件的第一基体(参照图3和图4)。

23)将裁剪后的碳纤维布按照如图5所示的方式进行折叠形成条状间隙、第一条状部分以及第二条状部分，即：将所有的纤维布条间隔后分为2组，其中一组为维持原始的布面方向的第二条状部分(沿超导带材的长度方向延伸)，另一组则按照垂直布面的方向弯折(沿高温超导线圈的径向弯折)从而形成包含第一子条状部分(沿高温超导线圈的径向延伸)和第二子条状部分(沿高温超导线圈的轴向延伸)的第一条状部分。

S30、热沉组件的安装，主要包括第一热沉组件和第二热沉组件的安装。

参照图6，将第一热沉组件的第一基体压在第一超导带材对应于超导带材接头的下方并将超导带材接头完全覆盖，将第一超导带材对应于超导带材接头的左侧侧边的端面贴靠至第一热沉组件的第一条状部分的第一子条状部分的表面。优选地，超导带材接头大致位于第一热沉组件的第一基体沿其长度方向的中部区域。第一热沉组件的第一基体的下表面贴附在第二超导带材对应于超导带材接头的上表面。

参照图7，第二热沉组件的安装与第一热沉组件的安装原理大致相同，在此不再赘述。与第一热沉组件不同的是，第二热沉组件的安装位置为：将第二热沉组件的第一基体贴覆于第二超导带材对应于超导带材接头的上方。

S40、热沉组件与高温超导线圈的组装。在高温超导线圈绕制完成后，沿高温超导线圈的径向将纤维布条弯折后，将第一条状部分中的第二条状子部分沿高温超导线圈的轴向平整地贴附在高温超导线圈的最外侧。

可以看出，在本发明的优选实施方式中，热沉组件通过第一基体和第二基体的组合，有效地避免了热量在接头部位的集中并由此导致出现接头局部过热的问题。具体而言：

通过在一个接头部位配置两个热沉组件，能够谋求尽可能地将接头部分产生热量经由热沉组件及时快速地导出从而有效地避免接头部位出现局部过热的现象。在此基础上，通过将第一基体尽可能全面地覆盖超导带材接头的一侧表面，能够谋求更好地将热量导出。

基于热沉组件的第二基体的第一条状部分，能够将超导带材接头产生的热量中的一部分从高温超导线圈内侧导出至高温超导线圈的最外侧。由于高温超导线圈的最外侧通常增加有高导热连接结构，因此，基于第一条状部分的设置，能够将第一热沉组件和第二热沉组件通过第一条状部分导出的热量及时地带走。

基于热沉组件的第二基体的第二条状部分，能够将超导带材接头产生的热量中的另一部分及时地扩散至周边。如假定接头产生的热量为Q，如果仅由接头部位的制冷m1吸收(假定材料的比热容是c)，则产生的温升ΔT1＝Q/(c·m1)。若将热量部分扩散至周边的超导带材(周边的超导带材的质量为m2)，则产生的温升ΔT2＝Q/(c·(m1+m2))。由于m2通常会远远大于m1，由此ΔT2便会远远小于ΔT1。由于高温超导线圈整体为串联结构，局部温度高会明显影响高温超导线圈的性能，因此降低对应于温升的最高温能够保证高温超导线圈具有更好的稳定性。

此外，由于第一热沉组件和第二热沉组件采用非金属材料制作而成，因此不存在如背景技术中提到的由于金属箔的引入而导致边沿出现局部电场集中的问题。其中的碳纤维布作为一种多孔材料，在高温超导线圈固化过程中，能够与环氧树脂等固化材料很好地粘接，如经常可以作为树脂固化的骨架纤维结构。这样一来，将其引入本发明的热沉组件之后，在能够高效地实现导热的同时，还能进一步地提升高温超导线圈的整体结构强度。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于接头的热沉组件，其特征在于，相邻的超导带材在接头处彼此串接，所述热沉组件包括热沉基体，所述热沉基体上沿第一方向延伸有条状间隙，所述热沉基体上沿第二方向延伸有第一条状部分；

其中，所述条状间隙的至少一部分处于接头对应的超导带材所在的平面；

其中，所述第一条状部分的至少一部分与接头对应的超导带材所在的平面之间具有夹角。

2.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述热沉基体上沿第一方向延伸有第二条状部分，相邻的所述第二条状部分之间形成所述条状间隙。

3.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述热沉基体上沿与超导带材的长度方向延伸有多个所述条状间隙。

4.根据权利要求1所述的热沉组件，其特征在于，所述第一条状部分包括：

第一子条状部分，其由所述热沉基体沿所述第二方向延伸；

第二子条状部分，其由所述第一子条状部分沿与所述第二方向具有夹角的第三方向延伸。

5.根据权利要求4所述的热沉组件，其特征在于，所述第一子条状部分由所述热沉基体沿与超导带材相垂直的方向延伸而成；并且/或者

所述第二子条状部分由所述第一子条状部分沿与超导带材错在的平面相平行的方向延伸而成。

6.根据权利要求4所述的热沉组件，其特征在于，所述第一子条状部分和所述第二子条状部分在展开在同一平面内的状态下能够容纳于相应位置的所述条状间隙。

7.根据权利要求6所述的热沉组件，其特征在于，在所述热沉基体上以切割出所述第一条状部分的同时形成所述条状间隙；并且/或者

所述热沉基体为柔质结构。

8.根据权利要求2所述的热沉组件，其特征在于，所述热沉基体包括第一基体以及第二基体，

其中，所述第一条状部分和所述第二条状部分设置于或者形成于所述第二基体，所述第一基体能够覆盖所述接头的至少一部分。

9.一种高温超导带材组件，其特征在于，所述高温超导带材组件包括权利要求1至8中任一项所述的用于接头的热沉组件。

10.根据权利要求9所述的高温超导带材组件，其特征在于，同一个接头配置有两个所述热沉组件，

在组装好的状态下，两个所述热沉组件的热沉基体的第一基体分别覆盖至所述接头的两个表面的至少一部分上。