CN1321426C - 大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法，其特征在于在铜电流引线段下端与高温超导段的接头段设置有环绕其外壁的液氮室，充液氮至适当高度冷却高温超导段温端；所汽化的氮蒸汽流经铜电流引线的换热器进行冷却；设置一个较大液氮贮槽，分别向各液氮室不断地补充因汽化消耗的液氮。我国大型超导托卡马克核聚变实验装置的纵场和极向场线圈需要的16/15kA电流引线已采用本发明，即使在中断液氮供给情况下，可维持高温超导段在350秒内不升温仍处超导态，有充足时间让超导磁体泄能，退出运行。可大幅度提高运行的可靠性，也避免了由于突然停电或制冷机故障引起的对电流引线供冷中断。

Description

大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法

技术领域

本发明涉及大型超导磁体的高温超导电流引线冷却技术。

背景技术

20世纪60年代工程超导材料的发展为超导技术大规模地应用于高能加速器、核聚变实验装置和高场磁体等成为可能。但4K低温致冷技术的难度阻碍了低温超导的应用和运行费用，而其中为大型超导磁体馈电的电流引线是最主要的热负荷。80年代后期高温超导材料的研发成功，很快有人想到应用于电流引线，使其热负荷下降一个数量级。小型超导磁体采用高温超导电流引线已可买到商用的产品。但大型磁体的高温超导电流引线仍仅仅处于开发阶段，尚没有投入使用，人们最担心的是它的稳定性和安全性，如果冷却高温超导电流引线的冷气流因压缩机或制冷机的故障而中止，它能否在大型磁体所贮存的巨大能量泄放时不损坏，一直没有得到验证。

冷却中止后的电流引线由于焦耳热和传导热作用下会快速升温，这使高温超导段转变成正常态，在正常态的高温超导材料电阻率比铜高2～3个数量级，如果无分流器，则必然烧毁。

现有高温超导电流引线几乎都是由高温超导段和铜电流引线组成，采用冷氦气冷却高温超导段热端。为提高安全性，在高温超导电流引线段热端增加固体材料的热沉，并对高温超导段的分流器取较低电流密度。前者会大大增加电流引线的质量，后者会牺牲热负荷减小的倍数。一旦冷却中断，两者都能延缓高温超导电流引线热端升温。

发明内容

本发明的目的是提供一种大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法，采用液氮作为热沉，它同时冷却高温超导段的热端，只要保持冷却用的液氮充足，不会由于电力故障或制冷机故障导致冷却电流引线的冷却气流中断；利用液氮的汽化潜热比同体积的铜材温升5K的焓差高18倍多，由于大幅度增加热沉，可避免高温超导向正常态转变，从而不必加大分流器的截面积。

本发明的技术方案如下：

大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法，电流引线由高温超导段和铜电流引线段两部分组成，其特征在于在铜电流引线段下端与高温超导段的接头段设置有环绕其外壁的液氮室，保持适量液氮对其进行冷却，并作为热沉；所汽化的氮蒸汽流经铜电流引线的换热器进行冷却；设置一个液氮贮槽，通过管道分别向各液氮室不断补充因汽化消耗的液氮。

所述的液氮/氮蒸汽冷却高温超导电流引线的方法，其特征在于环绕铜电流引线下段的液氮室作为特别有效热沉，在制冷机故障或停电时保证高温超导电流引线退出运行过程中始终处于超导态。

液氮与铜电流引线之间的换热系数约2,000-8,000W/m²K，大大高于氦气与铜电流引线的换热系数400W/m²K。在同样的热负荷下，被冷却表面与冷却剂之间的温差减小。液氮也起到提高热沉的效果。室内约1升液氮的蒸发潜热为1.6×10⁵J，而77K下铜材比热为0.197J/gK，1000cm³铜的1K焓差(热沉)比液氮小90倍。这样，只要高温超导段热端的运行温度在77K左右，而其失超转变温度高于80K，则可利用液氮的热沉使高温超导段完全处于安全的工况。16kA电流引线在77K的优化热负荷为390W，如果接头电阻和铜电流引线下端非换热器段的电阻合计为240nΩ，合计约450W，1升液氮的汽化潜热可维持高温超导段350秒内不升温，效果非常好。

采用液氮热沉要求铜电流引线下段保持有适量的液氮，并两者之间有足够的换热面积，要保证铜材与液氮之间的温差在核沸腾区内。浸泡在液氮中的铜电流引线下段应具有较大的截面积，以减小其焦耳热。设置一个足够大的液氮贮槽，通过连接管分别和各个电流引线外壁的液氮室连接，利用液位差向各个液氮贮罐源源不断输送液氮，只需测量控制液氮贮槽内的液位，可省去对每个电流引线的液氮室的液位进行测量和控制。

液氮贮槽与每个电流引线的液氮室之间采用绝缘连接管，避免造成电短路。

本发明大大提高了高温超导电流引线运行的安全性。为说明其效果，现将本发明与氦气冷高温超导电流引线在冷却中断后升温过程进行比较：

高温超导电流引线按冷却中断后的稳定性分析通常假设其电流不变，如果不采用液氮汽化潜热，焦耳热将使铜电流引线和HTS段的温端温度上升。铜电流引线升温与电流密度J_e、材料的电阻率ρ和比热容C_ρ相关，载电流导体升温时间：

$t=\frac{1}{J_e^2}{\∫}_{T_0}^{T_f}\frac{C_p\left(T\right)}{\mathrm{\ρ}\left(T\right)}\mathrm{dT}---\left(1\right)$

上式中，T₀——冷却气流中断起始温度，T₁——终了温度。从式(1)可见，取低的电流密度、电阻率和高的比热容有利于抑制温度上升。在16kA铜电流引线设计中，我们选择铜接头段相当低的电流密度4.42A/mm²，采用RRR值为约30的T2铜材，在76-81K温区的平均电阻率ρ～2.43×10^-9Ωm，C_ρ～1.75×10⁶J/(m³K)。根据式(1)，可得下端从初始76K升温至81K的时间t＝185秒。看上去此升温时间相当长，当由于铜电流引线的传导热和接头电阻存在，此时间将大大缩短。

在无冷氮气冷却的条件下，来自铜电流引线每kA的传导热大于42W，16kA引线大于670W，而铜电流引线下段和高温超导段接头的全部铜材的5K温差的焓差仅仅为～1×10⁴J，不到15秒内高温超导段热端将超过安全运行温度。此后，高温超导段逐渐将部分电流向银-金合金基体分流，由于电流密度大，电阻率又比铜高得多，其升温速度非常迅速。

由于1升液氮汽化潜热的热沉比8.9kg、1K温升的焓差高90倍，只要电流引线有1升液氮的热沉，可维持350秒不升温，由此可看出本发明明显的安全效果。

附图说明

图1为本发明方法工作原理结构示意图。

具体实施方式

参见附图。

图中标号：1、高温超导大电流引线段，2、液氮连通管，3、液氮贮存容器，4、液氮室(热沉)，5、真空隔离外套，6、冷气流隔离层，7、螺旋翅片换热器，8、氮气引出管，9、电绝缘管，10、流量均衡调节阀，11、氮气汇集管。

铜电流引线下端与高温超导段1连接，其下段(无翅片段)产生的焦耳热和来自换热器7的传导热使液氮室4内的液氮汽化，由此汽化的冷氮气B从换热器冷端的螺旋槽口(在下环形槽)进入，顺着平行的多螺旋槽流向室温端，沿途与多螺旋翅片换热，将换热器中的焦耳热和来自热端的传导热带走。此氮气在换热器的温端环形槽出口C，穿过径向小孔，最终汇集到弯管8，再经流量均衡调节阀10后进入汇集管11。液氮室中液氮消耗由更大的贮存容器3补充。

EAST超导托卡马克核聚变实验装置需13对16/15kA高温超导电流引线采用液氮冷却，其结构如附图所示。高温超导电流引线由78K至5K的高温超导段和300K至78K的铜电流引线段两部分组成。铜电流引线段的上段是气冷换热器段1，铜电流引线的下段浸泡在液氮中，在铜电流引线(含气冷换热器)段的下端与高温超导段的接头段设置有环绕其外壁的液氮室，充液氮对电流引线进行冷却；从液氮室中汽化的氮蒸汽流经铜电流引线的换热器段进行冷却；设置一个容积～1000升液氮贮槽，利用液位差分别向各液氮室不断补充因汽化消耗的液氮。

每条电流引线外壁的环形液氮贮罐最多可贮存2-2.6升液氮作为热沉。图中铜电流引线下段长度为282mm，液氮贮罐内径129mm，每10cm高的容积为0.9升，只要保持液氮液位在一半以上高度，可保证电流引线运行非常安全。

Claims (1)

1、大幅度增加高温超导电流引线稳定性的液氮/氮蒸汽冷却方法，电流引线由高温超导段和铜电流引线段两部分组成，其特征在于在铜电流引线段下端与高温超导段的接头段设置有环绕其外壁的液氮室，保持适量液氮对其进行冷却，并作为热沉；所汽化的氮蒸汽流经铜电流引线的换热器进行冷却；设置一个液氮贮槽，通过管道分别向各液氮室不断补充因汽化消耗的液氮。

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