CN1983472A - 一种超导磁体的电流引线 - Google Patents

Abstract

一种超导磁体的电流引线，包括铜引线[5]与高温超导电流引线组件[7]，其特征在于铜电流引线[5]的室温端串接一对半导体制冷组件[4]，由此构成半导体制冷组件[4]、铜引线[5]与高温超导电流引线组件[7]的组合电流引线；半导体制冷组件[4]主要由半导体制冷元件[3－5]、铜接线鼻子[3－10]和铜压紧固定板[3－2]组成；本发明可使铜引线[5]上端与铜压紧固定板[3－2]接头处温度大幅度降低，降低了铜引线[5]对系统的漏热，减少了对制冷机一级冷头[6]冷量的需求，可极大的提高电流引线的通电能力。

Description

一种超导磁体的电流引线

技术领域

本发明涉及传导冷却超导磁体电流引线。

背景技术

上个世纪的80年代初，M.O.Hoenig提出了用制冷机冷却NbSn₃超导磁体的设想并对其进行了概念设计，但真正实用化传导冷却超导磁体系统的成功研制则是九十年代的事情，这主要应归功于制冷机新型磁性蓄冷材料和高温超导电流引线的使用。

传导冷却超导磁体系统主要由超导磁体、G-M制冷机、低温容器、电流引线、磁体电源及控制部件等组成。其核心技术是使用二级G-M制冷机直接冷却超导磁体。较之液氦浸泡超导磁体系统具有操作简单，无需复杂的液氦装置，建造和使用费用减低等诸多优点，但也有其不足，突出表现在是G-M制冷机制冷功率有限，如SHI-SRDK415D型号的制冷机，一级冷头制冷功率50K时为35W，而二级冷头的制冷功率4.2K时只有1.5W。所以，对于传导冷却超导磁体系统，如何增加或减少相关部件的传热或绝热就成为系统是否能研制成功的关键技术所在。

在各项漏热中，电流引线的漏热占了很大份额。电流引线的漏热不仅包括传导热也包括焦耳热。目前，正在使用的电流引线大多数为铜-高温超导引线二元组合方式，铜引线工作在室温和制冷机一级冷头温度之间，高温超导电流引线工作在一级冷头和二级冷头温度之间。这样，铜引线的漏热大部分可由一级冷头带走，而高温超导电流引线则处在超导态，消除了焦耳热；另一方面，高温超导材料的热导率很低，可减少沿引线的传导漏热。文献中比较的结果，这种组合式电流引线的漏热，可减少到只有原来铜电流引线漏热的五分之一到十分之一的水平(Wesche and A.M.Fuchs，Design of superconductingcurrent leads，Cryogenics，1994 Volume 34，Number 2，p.145-154)。

尽管目前的电流引线已大幅度降低了漏热，但它仍有如下缺点：

1，某些通电为几百安培的传导冷却超导磁体系统，制冷机一级冷头的制冷功率不足，无法完全带走铜引线的焦耳热，从而导致冷屏温度升高，磁体接受的辐射热过大，严重时，可能导致超导磁体不能正常工作。

2，对通电为上千安培的装置，如高温超导样品测试系统，其发热量远不是一台制冷机所能带走的，对这样大的电流引线，只能额外再安装一台G-M制冷机，这样势必会增加投入，且使系统结构更为复杂。

发明内容

为克服已有技术的缺点，本发明提出一种新的电流引线模式，即在目前铜-高温超导电流引线二元结构中串接半导体制冷组件，形成半导体制冷-铜-高温超导电流引线三元结构组合方式。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明在原超导磁体铜电流引线的室温端串接一对半导体制冷组件，利用半导体制冷原理，可大幅降低铜电流引线高温端的温度达50K-100K左右，可减少外界向系统内的漏热达20％-30％。

半导体制冷组件主要由半导体制冷元件、铜接线鼻子和铜压紧固定板组成。半导体制冷元件位于铜接线鼻子和铜压紧固定板之间，通过紧固螺栓固定并压紧在真空容器盖板上。

本发明依据半导体制冷帕尔帖效应原理：P型半导体材料和N型半导体材料连接成热电对，通以直流电制取冷量。由于P型半导体内载流子(空穴)和N型半导体载流子(电子)与金属铜板中所具有的载流子势能不同，必然会在半导体材料与金属片结点上发生能量的传递与转换。因为P型半导体内具有的势能高于其在金属片的势能，在外电场作用下，当空穴通过接点a时，需要从金属片中吸取一定的热量，用以提高自身的势能，才能进入P型半导体内。因而在该接点a处温度就会降低，形成冷接点。当空穴进入另一接点b时，需要多余的一部分势能留给接点，才能进入到金属片中，这时该接点b处温度会升高，形成热接点。

附图说明

图1为帕尔帖效应和热电制冷器原理图；

图2为应用本发明的传导冷却超导磁体系统结构图，图中：1超导磁体，2冷屏，3真空容器，4半导体制冷组件，5铜电流引线，6一级冷头，7高温超导电流引线组件，8二级冷头，9导冷板，10导冷线；

图3为半导体制冷组件4的结构图，图中：3-1螺栓连接组件，3-2压紧固定板，3-3紧固螺栓，3-4绝缘套管，3-5半导体制冷元件，3-6真空容器盖板，3-7绝缘垫，3-8 O型密封圈，3-9绝缘套管，3-10接线鼻子，3-11冷却水管，3-12紧固螺栓，3-13绝缘套管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明：

图1为帕尔帖效应和热电制冷原理图。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联成热电对时，在这个电路中接通直流电流后，就能发生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头，吸收热量，成为冷端；由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。

在温差制冷电路中引入第三种材料不会改变电路性质，故可将铜电流引线、高温超导电流引线和超导磁体串接在温差电制冷回路中。

制冷量与电流的关系为：

$Q=({\mathrm{\α}}_P-{\mathrm{\α}}_n)T_{1}I-\frac{I^{2}R}{2}-K(\mathrm{Th}-\mathrm{Tc})$

Q：制冷量     (W)

α_P，α_n：热电系数(V/K)

T_c：冷端温度  (K)

T_h：热端温度  (K)

I：电流       (A)

R：电阻       (Ω)

K＝(λ_pS_p+λ_nS_n)/L

λ_p，λ_n：热导率  (W/mK)

S_p，S_2n：截面积(m²)

L：厚度(m)

若两半导体制冷元件的几何尺寸，热导率  电导率，及热电系数均相等，则热端与冷端的最大温差可表示为：

${(\mathrm{Th}-\mathrm{Tc})}_{\mathrm{MAX}}=\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\λ\ρ}}T{c}^2$

式中

ρ：电阻率(Ωm)

λ：热导率(W/mK)

图2为应用本发明的传导冷却超导磁体系统的结构图。

超导磁体1经导冷板9和导冷线10被制冷机二级冷头8冷却并经拉杆吊装在冷屏2上；冷屏2被制冷机一级冷头6冷却并经拉杆吊装在真空容器3上。

铜电流引线5与高温超导电流引线组件7的连接点，安装在冷屏2上并被一级冷头6冷却；高温超导电流引线组件7下端与磁体出线头相连后安装在导冷板9上并被二级冷头8冷却。

冷屏2的作用是减少真空容器3对超导磁体1的辐射漏热。

导冷板9与导冷线10均由铜材料制作，其目的是把二级冷头8的冷量传导给超导磁体1和高温超导电流引线7。

半导体制冷组件4安装在铜电流引线5的室温端，位于铜接线鼻子和铜压紧固定板之间，通过紧固螺栓固定在真空容器3的盖板上。

为使图面清晰，在图2仅画出了半导体制冷组件-铜引线-高温超导电流引线一条回路，此处的半导体制冷组件4，既可理解是P型也可理解成是N型。

因为高温超导电流引线组件7由陶瓷材料构成，低温下的热导率比铜低100倍，而低温下电阻率几乎为零，故由高温超导电流引线组件7引起的漏热可忽略不计。所以，对于图2所示的本发明半导体制冷、铜电流引线和高温超导电流引线组合，可用下面的能量平衡方程描述：

$\frac{d}{\mathrm{dx}}\left(\mathrm{kS}\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}\right)-I\left(T\frac{\mathrm{d\α}}{\mathrm{dT}}\right)\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dx}}+I^2\frac{\mathrm{\λ}}{S}=0$

方程中符号意义同前。

将方程分别应用到半导体制冷组件4和铜电流引线5，可求出半导体制冷组件4和铜电流引线5接点处的温度T_J。

对于遵守Wiedemann-Franz定律的纯金属铜，λ(T)ρ(T)＝L₀T

L₀是洛仑兹常数，2.445×10^-8V²K^-2

则铜引线的漏热有最简化的形式：

$\frac{Q_{\mathrm{OPT}}}{I}=\sqrt{L_0(T_J^2-T_L^2)}$

T_J为半导体制冷组件与铜引线接头的温度

T_L为铜电流引线与冷屏接点的温度

在半导体制冷的作用下，T_J温度降低，故在磁体电流I一定时，可显著减少铜引线的漏热QOPT。

如果磁体工作电流超过了半导体制冷组件4的最大工作电流，可在半导体制冷组件4中安装适量的半导体制冷元件3-5。为了通大电流，可将多个半导体制冷元件3-5并联使用，可采取并排布置。半导体制冷元件3-5的使用数量和下面四个因素有关：

(1)磁体工作电流；

(2)制冷机的制冷功率；

(3)装置的全部漏热；

(4)半导体制冷元件的最大工作电流。

图3为半导体制冷组件4(即图2的I处)结构图。

本发明具体实施方式使用一对(两个)半导体制冷组件4，一个半导体制冷组件4中若放置P型半导体制冷元件3-5，另一个组件中则放置N型半导体制冷元件3-5。

半导体制冷组件4主要由半导体制冷元件3-5、铜接线鼻子3-10和铜压紧固定板3-2等组成，

如图3所示，半导体制冷元件3-5的上端面与铜接线鼻子3-10的下端面，以及半导体制冷元件3-5的下端面与铜压紧固定板3-2的上端面均通过紧固螺栓3-3压紧在真空容器盖板3-6上。紧固螺栓3-3通过绝缘套管3-4与铜压紧固定板3-2构成电绝缘。

铜接线鼻子3-10带有冷却水管3-11并通过紧固螺栓3-12压紧在真空容器盖板3-6上。紧固螺栓3-12与真空容器盖板3-6之间有电绝缘套管3-13。铜接线鼻子3-10依靠绝缘套管3-9和绝缘垫3-7与真空容器盖板3-6形成电绝缘，依靠O型密封圈3-8构成真空密封。

铜压紧固定板3-2与铜电流引线5依靠螺栓连接组件3-1拧紧。

本发明使用一对半导体制冷元件：

P型半导体Bi_0.52Sb_1.48Te₃

N型半导体Bi₂Te_2.4Se_0.6

技术参数为：α＝0.2×10^-3V/K

ρ＝1.19×10^-5Ωm(电阻率)

λ＝1.5W/mK

s＝144mm²

L＝2.8mm

本发明的工作过程是：当超导磁体系统包括电流引线装配好后，先用真空机组对系统抽真空，达到10^-1Pa后，开动制冷机对磁体系统的各个部件进行冷却，同时对超导磁体1与整个系统进行温度监测，待磁体1冷却到4K时，给磁体1通电励磁。在磁体通电励磁的过程中，由于半导体组件4的制冷作用，铜引线5上端与半导体制冷组件4接头处温度大幅度降低，从而降低了铜引线对系统的漏热，减少了对制冷机一级冷头6冷量的需求。也可以说，在其他条件都不变的情况下，由于使用了半导体制冷组件4，可极大的提高电流引线的通电能力。

Claims (3)

1、一种超导磁体的电流引线，包括铜引线[5]和与之连接的高温超导电流引线组件[7]，其特征在于铜电流引线[5]的室温端串接一对半导体制冷组件[4]；半导体制冷组件[4]主要由半导体制冷元件[3-5]、铜接线鼻子[3-10]和铜压紧固定板[3-2]组成，半导体制冷元件[3-5]位于铜接线鼻子[3-10]和铜压紧固定板[3-2]之间；一个半导体制冷组件[4]中若放置P型半导体制冷元件[3-5]，另一个半导体制冷组件[4]中则放置N型半导体制冷元件[3-5]。

2、按照权利要求1所述的超导磁体的电流引线，其特征在于半导体制冷元件[3-5]的上端面与铜接线鼻子[3-10]的下端面，以及半导体制冷元件[3-5]的下端面与铜压紧固定板[3-2]的上端面均通过紧固螺栓[3-3]压紧在真空容器盖板[3-6]上；紧固螺栓[3-3]通过绝缘套管[3-4]与铜压紧固定板[3-2]构成电绝缘；铜接线鼻子[3-10]带有冷却水管[3-11]，并通过紧固螺栓[3-12]压紧在真空容器盖板[3-6]上；紧固螺栓[3-12]与真空容器盖板[3-6]之间有电绝缘套管[3-13]；铜接线鼻子[3-10]依靠绝缘套管[3-9]和绝缘垫[3-7]与真空容器盖板[3-6]形成电绝缘，依靠O型密封圈[3-8]构成真空密封；铜压紧固定板[3-2]与铜电流引线[5]依靠螺栓连接组件[3-1]拧紧。

3、按照权利要求1或2所述的超导磁体的电流引线，其特征在于半导体制冷组件[4]中可安装多个半导体制冷元件[3-5]。

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