CN1873847B - 高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线，NbTi/Cu超导线交叉缠绕在内铜管上，内铜管外套有外铜管，在内、外铜管之间通液氦对超导线及高导铜接头进行冷却。本发明结构较简单，工艺要求不高，适用于20kA以下的连接。本发明的接头电阻低达1.4-4.6nΩ，在4g/s超临界氦流量下，6个接头加12个传输线端头的全部压头损失低于0.1MPa。

Description

高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头

技术领域

本发明属于大型超导磁体的高温超导电流引线馈电技术。具体是一种高温超导大电流引线冷端与低温超导传输线端头之间的低电阻接头技术。

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。与常规磁体相比，超导磁体电源成本和运行费大大减少，取而代之的是维持超导磁体运行条件的低温系统设备成本和运行费。4K低温致冷技术的难度阻碍了低温超导技术的推广应用，低温设备成本和运行费用高低与系统的热负荷相关，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，占总量的50-85％。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，利用其低热导率和零电阻特性使电流引线热负荷下降一个数量级。用于小型超导磁体的高温超导电流引线已可买到商用的产品。但电流大于10kA大型磁体的高温超导电流引线仍处于研发阶段，尚没有商用化。在4K温度，每一瓦的热负荷需要250-700倍的电力消耗来制冷。因为接头的焦耳热等于电流平方与接头电阻的乘积，为降低4K温区的热负荷，如何降低大电流引线高温超导段的冷端接头电阻成为技术关键之一。

过去几年国外研发的高温超导大电流引线根据其应用目的有各种不同的冷端接头设计。如欧洲核研究中心(CERN)的强粒子超导加速器(LHC)的13kA电流引线用于Rutherford超导电缆绕制的2极磁体，其高温超导段冷端与72条NbTi/Cu超导线钎焊，然后这超导线束与Rutherford电缆组成的超导传输线钎焊，采用铜管并焊，迫流内冷。日本和德国曾为国际受控热核试验堆(ITER)研发60和70kA高温超导电流引线各一件，在试验时都与铜电流引线配对，但冷端的接头设计不同：前者采用NbTi/Cu线束过渡，液氦浸泡冷却；后者采用高温超导段与埋有Nb₃Sn超导电缆的铜件钎焊设计，迫流冷却。

我国在十·五期间建造的超导托卡马克核聚变试验装置EAST的所有磁体采用NbTi/Cu超导电缆穿管(下称CICC)制造，迫流内冷。因此有别于CERN的Rutherford超导电缆绕制的迫流外冷磁体及传输线；日本JAERI的60kA电流引线未考虑与超导传输线之间的接头，而且浸泡冷却也不适用于EAST；德国FZK的70kA电流引线考虑了与超导传输线的接头技术，采用机械夹紧方式，为减小接头电阻，表面镀金，再加上铜件上打深孔埋焊Nb₃Sn电缆，难度大，工艺复杂，费用高。上述国外的高温超导电流引线并未提供具体设计和制造工艺细节。本发明是解决适合类似于EAST装置的CICC超导传输线连接的接头技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头。主要特征是用NbTi/Cu超导线作为高温超导段冷端与CICC超导传输线之间的载电流元件，采用迫流内冷使NbTi/Cu超导线束工作温度低于5K，保证它与高温超导段下端的接头电阻，它与CICC超导传输线之间的接头电阻都低于5nΩ。

本发明的技术方案如下：

高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，其特征在于包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线，不锈钢支撑筒冷端连接有高导铜接头，高导铜接头下端部分为锥形体，高导铜接头内有冷却气流通道，其下端焊接有内铜管和冷却气流通道连通，，高导铜接头侧壁开有导流孔和冷却气流通道连通，NbTi/Cu超导线经过锥形体到达内铜管外，取互相间隔的超导线先在内铜管外螺旋地缠绕一层，再将另剩余的超导线按相反方向在内铜管外再缠绕一层，外铜管通过缩径紧密套在内铜管的超导线外，外铜管与不锈钢支撑筒的高导铜接头之间通过变径管钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道和内铜管联通，出口管道外环绕有进气室和内铜管与外铜管之间的夹层联通，进气室侧面有入口。

不锈钢支撑筒外间隔钎焊有50个高温超导叠，每叠由5层超导带组成，超导带为Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材。

所使用的NbTi/Cu超导线表面热镀普通锡-40％铅或锡-58％铅-2％锑软钎料，NbTi/Cu超导线与高温超导带叠之间的钎焊使用锡-40％铅，不锈钢支撑筒在钎焊前先镀有铜，每超导叠和二条NbTi/Cu超导线焊接，外铜管内外壁表面热镀Sn-40％Pb焊料。

外铜管和不锈钢进气室之间，外铜管与不锈钢变径管之间采用真空银-铜钎焊。

外铜管外焊接有铜垫块，铜垫块焊接面热镀锡铅焊料。

所使用的NbTi/Cu超导线表面热镀普通锡-40％铅或锡-58％铅-2％锑软钎料，防止表面氧化，改善超导线之间的均流。NbTi/Cu超导线与高温超导带叠之间的钎焊也使用锡-40％铅，要求在真空容器内均匀加热施焊，无钎剂或仅用少量松香-酒精溶剂。用于大电流引线的高温超导普遍使用Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材，在自场、77K下的临界电流70-130A。为承载数千至数万A电流必须采用数十或数百条带材并联，通常先将数条或更多的带材钎焊组成叠，每高温超导叠的载流能力在数百至数千A。从降低自场结构和高温超导段的安全考虑，高温超导叠与导热低的不锈钢支撑筒钎焊成一体。为高温超导段温端与工作温度在78-300K的铜换热器连接，也为其冷端与低温超导线连接，故不锈钢支撑筒两端是高导铜件，它还起热沉的作用，抑制失冷时高温超导段过热损坏。这样在高温超导段冷端与低温超导线的钎焊都依托于冷端的高导铜管件，这与CERN和JAERI的作法类似。

本发明采用超导线螺旋地编绕在内铜管上，螺距必须小于接头长度，最好取接头长度的一半。超导线缠绕成2层，每超导叠下有一条NbTi/Cu超导线在外层，2层螺旋必须反向，使氦流能从超导线的交叉缝隙中流通。低温超导线外套装薄壁高导外铜管，其内外表面热镀Sn-40％Pb焊料。此管件延伸至高温超导段冷端，采用熔点117℃的Sn-52％In焊料封口。外铜管必须缩管，其和内铜管之间的空隙率控制在28-30％，以保证2层超导线之间和对外铜管之间的横向电阻足够低。超临界氦流从下端不锈钢接头的进气室进入内、外铜管的夹层，对NbTi/Cu超导线束直接冷却，氦流先经过变径管与高导铜接头之间的缝隙再经过高导铜接头内的导流孔与螺旋槽通道，进入芯塞的肓孔、内铜管，再经不锈钢接头的出口管道流出，完成一个循环。高导铜接头的作用是传导冷却高温超导段的冷端，使其运行温度低于6K。高导铜接头也是NbTi/Cu超导线束进入正常态时的分流器，提高运行的稳定性和故障态的安全性。NbTi/Cu超导线束承载的电流仅仅穿越2层薄壁铜管和接头铜块，故其接头电阻可控制在低于2-5nΩ水平。

高温超导电流引线下端采用不锈钢接头，以避免管线施焊时对NbTi超导线性能的影响，一般要求不超过300℃。

本发明高温超导电流引线是针对EAST的16kA超导环向场和15kA极向场磁体而研发的，高温超导段的温端采用液氮冷却，80K以上的铜电流引线用氮蒸汽冷却，高温超导段下端和低温超导线束用4K超临界氦流冷却。在安装使用前进行了低温试验，测量了每个电流引线的冷端高温超导叠与低温超导线之间的接头电阻(1.4-4.6nΩ)和低温超导线束与CICC端头之间的接头电阻(小于5nΩ)。还测量了超临界氦流经高温超导电流引线的压头损失和流量。2006年3月EAST托卡马克首次降温通电试验，测定6个高温超导电流引线+12个CICC端头的全部压头损失低于0.1MPa，而超临界氦流量4.24g/s高于设计值。

应用高温超导电流引线可大幅度节省低温超导磁体致冷量，不仅节省大量制冷设备投资，而且明显减少运行费。因此，即将建成的欧洲超导强粒子对撞机的1625个弯转和聚焦超导磁体，共配备600-13,000A电流高温超导电流引线1182个。我国即将投运的超导托卡马克EAST需15-16kA电流引线26个，全部采用高温超导电流引线后节省制冷设备1kW/4.5K(价值1200万元)，节省低温制冷运行电费6,000元/天。

附图说明

图1.是16kA高温超导段冷端截面图，由图可看出高温超导叠、低温超导线和高导铜管件之间结构和焊接关系。

图2是用于超导托卡马克核聚变实验装置EAST的15-16kA电流引线高温超导段设计图。

具体实施方式

图中标号：1.高温超导段温端铜件，2.高温超导叠，3.低热导不锈钢支撑筒，4.带回流小孔的芯塞，5.冷端高导铜管，6.NbTi/Cu超导线(100条)，7.密封钎焊铜环，8.变径管，9.有导流孔的高导铜接头，10.内铜管，11.外铜管，12.CICC超导传输线端头，13.高导铜垫块，14.超临界氦流入口，15.超临界氦流出口管道，16.进气室，17.导流孔，18.冷却气流通道。

高温超导大电流引线冷端与超导传输线低电阻接头，有低热导不锈钢支撑筒3，支撑筒3外壁上焊接有间隔排布的50个高温超导叠2，每叠由5层超导带组成，超导带为Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材。高温超导叠2的温端焊接有铜过渡件(高温超导段温端铜件1)，高温超导叠2的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线6，所使用的NbTi/Cu超导线6表面热镀普通锡-40％铅或锡-58％铅-2％锑软钎料，NbTi/Cu超导线6与高温超导带叠2之间的钎焊使用锡-40％铅，不锈钢支撑筒3在钎焊前先镀有铜，每超导叠2和二条NbTi/Cu超导线6焊接，不锈钢支撑筒3冷端连接有高导铜接头9，高导铜接头9由多个铜件连接构成(根据铜件生产工艺需要而定)，铜件之间的空隙构成冷却气流通道18，高导铜接头9和支撑筒3焊接连接，同时在高导铜接头9内空隙中有液氦流过，起到冷却超导线6、及高导铜接头9的作用。高导铜接头9包括有冷端高导铜管5(与支撑筒3焊接在一起)及带回流小孔的芯塞4(旋紧在冷端高导铜管5上)，高导铜接头9下端部分为锥形体，其下端焊接有内铜管10和冷却气流通道18连通，，高导铜接头9侧壁开有导流孔17和冷却气流通道18连通，NbTi/Cu超导线6经过锥形体到达内铜管10外，取互相间隔的超导线6先在内铜管10外螺旋地缠绕一层，再将另剩余的超导线6按相反方向在内铜管10外再缠绕一层，外铜管11通过缩径紧密套在内铜管10的超导线6外，不锈钢支撑筒3下端焊接有密封钎焊铜环7，不锈钢变径管8上端焊接在密封钎焊铜环7上，下端和外铜管11钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道15和内铜管10联通，出口管道15外环绕有进气室16和内铜管10与外铜管11之间的夹层联通，进气室16侧面有超临界氦流入口14。

外铜管内外壁表面热镀Sn-40％Pb焊料。

外铜管11外焊接有铜垫块13，铜垫块13焊接面热镀锡铅焊料。

银基高温超导带材相当贵，$150/kAm；而用于电流引线的银金基Bi-2223带还要贵5倍，而且很脆弱易折坏，焊成叠后会结实得多。此电流引线含50个高温超导叠，每叠由5层超导带组成，预先在专用铝合金模具中超导带与焊料薄带(厚度0.05-0.07mm)相间放置压紧，在真空容器中均匀加热至200℃钎焊成一体。超导叠与支撑筒和低温超导线之间钎焊也使用薄带焊料，在真空环境中进行，不使用钎剂，从而避免钎剂的腐蚀性。为保证钎焊质量，不锈钢表面应镀铜，而高导铜接头表面可清洗钝化或镀锡。本发明使用的低温超导线原用于CICC超导电缆，表面已热镀了Sn-Pb-Sb。套在低温超导线束外的外铜管11也应内外热镀Sn-Pb焊料，以减小外铜管表面氧化产生的电阻。外铜管下端与不锈钢进气室16和上端与不锈钢变径管8，以及不锈钢变径管与密封钎焊铜环7之间都系真空银-铜钎焊，以保证真空气密性。

高导铜接头9各组件装配后，用Sn-Pb焊填缝，确保气密。高导铜接头9与内铜管10、不锈钢接头的出口管道15装配也用Sn-Pb焊填缝。每个高温超导叠与2条低温超导线相连，在超导线束螺旋编绕时，第一层取每叠其中一条超导线，在末端直径相对小的不锈钢出口管上绑扎，也可薄薄地锡焊成一体；第二层的螺旋必须反向，其末端应比第一层短5mm，在出口管段用细钢丝绑扎，防止松散，多余的超导线长度应剪除。在与外管组件组装前，必须对外管组件的钎焊缝气密性用氦质谱仪严格检漏。在外管组件套装后，先在上端用Sn-In钎料封口，要求气密。施焊时应采用加热器控温至100℃，后用大功率电烙铁施焊。完成后必须对外铜管缩径，外径由23缩至21.6mm。缩径工艺依靠专用的油压机和模具，下端进气管必须在缩径后与进气室施氩弧焊，否则影响缩径。

高温超导电流引线安装到恒温器上盖后，其下端与CICC超导传输线的端头12连接是通过双面带圆弧的高导铜垫块13，两边用不锈钢夹板和两排螺钉压紧，为减小接头电阻，铜垫块表面热镀锡铅焊料，并在组装时加低熔点焊料带，机械夹紧后加热至焊料熔化温度。

Claims (4)

1.高温超导大电流引线冷端与超导传输线之间的低电阻接头，其特征在于包括有低热导不锈钢支撑筒，支撑筒外壁上焊接有间隔排布的高温超导叠，高温超导叠的温端焊接有铜过渡件，高温超导叠的冷端通过钎焊搭接有NbTi/Cu超导线，不锈钢支撑筒冷端连接有高导铜接头，高导铜接头下端为锥形体，高导铜接头内有冷却气流通道，高导铜接头下端焊接有内铜管和冷却气流通道连通，高导铜接头侧壁开有导流孔和冷却气流通道连通，NbTi/Cu超导线经过锥形体到达内铜管外，取互相间隔的超导线先在内铜管外螺旋地缠绕一层，再将剩余的超导线按相反方向在内铜管外再缠绕一层，外铜管通过缩径紧密套在内铜管的超导线外，外铜管与不锈钢支撑筒的高导铜接头之间通过变径管钎焊密封连接；内、外铜管的下端连接有不锈钢接头，不锈钢接头上有出口管道和内铜管联通，出口管道外环绕有进气室，该进气室和内铜管与外铜管之间的夹层联通，进气室侧面有超临界氦流入口，超临界氦流从所述的进气室进入内、外铜管的夹层，对NbTi/Cu超导线束直接冷却。

2.根据权利要求1所述的接头，其特征在于不锈钢支撑筒外间隔钎焊有50个高温超导叠，每叠由5层超导带组成，超导带为Ag-5.3wt.％Au合金基体的BSCCO-2223带材。

3.根据权利要求1所述的接头，其特征在于外铜管和进气室之间，外铜管与变径管之间采用真空银一铜钎焊。

4.根据权利要求1所述的接头，其特征在于外铜管外焊接有铜垫块，铜垫块焊接面热镀锡铅焊料。

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