CN205582654U - 一种用于高温超导电流引线的冷却结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电流引线的冷却技术研究领域的一种用于高温超导电流引线冷却结构，采用高纯铜制成的完全匹配的无电铜插片和带电铜插片，以及位于无电铜插片与带电铜插片之间的多层绝缘薄片。所述无电铜插片和带电铜插片中间放置多层绝缘薄片后进行互插，互插完成后进行钎焊定型，形成一个完整的导热绝缘结构件。高温超导电流引线通过带电铜插片结构与铜电流引线相连，带电铜插片通过多层绝缘薄片与无电铜插片结构相接触，无电铜插片结构与导冷板直接接触。本实用新型通过插片结构增大传热面积，改善了高温超导电流引线冷却效果。本实用新型冷却效果更好，整体结构操作安全可靠，在事故工况下可对高温超导电流引线提供一定的保护效果。

Description

一种用于高温超导电流引线的冷却结构

技术领域

本实用新型属于电流引线的冷却技术研究领域，具体涉及一种用于高温超导电流引线冷却结构。

背景技术

超导磁体需要运行于低温环境中，通常采用液氦进行冷却，运行温度约为零下270摄氏度。为超导磁体进行励磁以及维持其稳定运行的电源需要运行于室温环境，运行温度约为零上25摄氏度。磁体与电流之间的连接导线，有一段导线的温度上端为室温，下端为低温，这段导线一般特称为电流引线。电流引线上端连接常规电缆，然后与电源相接。电流引线下端与低温超导线相接，接入超导磁体绕组。

超导磁体正常运运行中，不断有热量通过电流引线的热传导作用进去低温系统，同时电流引线内产生的焦耳热亦进入低温系统。电流引线需要通过优化设计来减少进入低温系统的热量。早期的电流通常采用高纯铜制造。近年来为进一步减少进入超导磁体的热量，高温超导带材被应用于电流引线技术。高温超导带材应用于液氦温度到液氮温度区间的电流引线段，液氮温度到室温温度区间的电流引线段采用高纯铜制造，这样构成由铜电流引线和高温超导电流引线组成的二元电流引线。

二元电流引线中的高温超导电流引线高温端需要有效冷却，以防止其温度过高。高温超导电流引线的高温端的冷却冷量一般来源于液氮温度的导冷板。这样导冷板与高温电流引线高温端之间需要设计有效的冷却结构，用于冷却高温超导电流引线。

冷却结构要求尽可能降低导冷板与高温超导电流引线之间的温差，同时保证两者之间的电绝缘，及该结构为一个高绝缘高导热结构。该结构有采用氮化铝实现，氮化铝导热性能好且绝缘，但是氮化铝属于陶瓷类材料，操作压力不当时易破碎。该结构也有采用高分子类的绝缘薄板或薄膜，该类材料绝缘性能好，操作过程中安全可靠，但是该类材料导热系数低，传热效果差。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题提供一种用于高温超导电流引线冷却结构，该冷却结构中不含有易碎的陶瓷类材料，通过插片设计增大了传热面积，从而降低了冷却板与高温电流引线之间的传热温差，改进了冷却效果。

本实用新型的技术方案是：一种高温超导电流引线冷却结构，包括无电铜插片、带电铜插片和位于无电铜插片与带电铜插片之间的多层绝缘薄片；

所述无电铜插片包括多张叠放的第一铜板，第一铜板的一端通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第一铜板之间形成第一通槽；

所述带电铜插片包括多张叠放的第二铜板，第二铜板的一端通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第二铜板之间形成第二通槽；

所述多层绝缘薄片呈弓字型，包括多层绝缘薄片，相邻的绝缘薄片之间形成第三通槽，相邻的所述第三通槽的开口朝向相反；

所述无电铜插片的第一铜板分别插入所述多层绝缘薄片一侧的第三通槽内，所述带电铜插片的第二铜板分别插入所述多层绝缘薄片另一侧的第三通槽内。

上述方案中，所述带电铜插片最下层的第二铜板的一端焊接有高温超导电流引线接头板。

上述方案中，所述带电铜插片最下层的第二铜板的另一端焊接有铜电流引线接头板。

上述方案中，所述无电铜插片最上层的第一铜板宽度大于其它层的第一铜板，最上层的第一铜板比其它层第一铜板宽出的部位设置有螺栓孔。

上述方案中，所述多层绝缘薄片的每层绝缘薄片的厚度小于或等于0.2毫米。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型用于高温超导电流引线冷却结构，由于采用了插片式结构，在相同的空间内，增加了换热面积，改善了传热能力，提高了高温超导电流引线冷却效果。本实用新型用于高温超导电流引线冷却结构，操作更加安全可靠，整个装置中没有采用氮化铝类的陶瓷材料，避免了这些结构的易碎特点，由于采用了多层绝缘薄片，然后整体钎焊定型，整个装置操作更加安全可靠。本实用新型用于高温超导电流引线冷却结构，在事故工况下可对高温电流引线提供一定的保护效果，当系统发生事故时，系统立刻停机，制冷系统不能为导冷板提供冷量，高温超导电流引线不能被有效冷却，此时高温超导电流引线仍然通有大电流，可能被损坏，而本实用新型的冷却结构，采用了较多的铜材料，这些铜材起到了冷沉作用，结构中铜存储的冷量能够在系统故障后抑制高温超导电流引线温度上升，从而保护高温超导电流引线。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的高温超导电流引线冷却结构拆分示意图；

图2为本实用新型一实施方式的高温超导电流引线冷却结构组装示意图；

图3为采用本实用新型的高温超导电流引线冷却结构的低温超导磁体系统原理示意图；

图4为采用现有铜板冷却结构的冷却效果的数值模拟结果；

图5为采用本实用新型一实施方式的插片式冷却结构的冷却效果数值模拟结果。

图中：1、氦液管；2、低温超导线；3、高温超导电流引线；4、高温超导电流引线冷却装置；5、导冷板，6、铜电流引线；7、低温制冷机；8、低温超导磁体；9、液氦容器；10、氦气管；11、冷屏；12、制冷机二级冷头换热器；13、制冷机一级冷头换热器；14、真空容器；15、安全管路；16、无电铜插片；17、多层绝缘薄片；18、带电铜插片；19、高温超导电流引线接头板；20、铜电流引线接头板；21、第一铜板；22、第一通槽；23、第二铜板；24、第二通槽；25、第三通槽。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于此。

图1和图2所示为所述用于高温超导电流引线冷却结构的一种实施方式，一种高温超导电流引线冷却结构，包括采用高纯铜制成的完全匹配的无电铜插片16和带电铜插片18，以及位于无电铜插片16与带电铜插片18之间的多层绝缘薄片17。

所述无电铜插片16包括多张叠放的第一铜板21，第一铜板21的一端平齐通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第一铜板21之间形成第一通槽22。所述带电铜插片18包括多张叠放的第二铜板23，第二铜板23的一端平齐通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第二铜板23之间形成第二通槽24。所述多层绝缘薄片17呈弓字型，包括多层绝缘薄片，相邻的绝缘薄片之间形成第三通槽25，相邻的所述第三通槽25的开口朝向相反，所述多层绝缘薄片17的每层绝缘薄片的厚度小于或等于0.2毫米。所述无电铜插片16和带电铜插片18为完全匹配的两块铜插片结构，所述无电铜插片16的第一铜板21分别插入所述多层绝缘薄片17一侧的第三通槽25内，所述带电铜插片18的第二铜板23分别插入所述多层绝缘薄片17另一侧的第三通槽25内，所述多层绝缘薄片17最上层向左边伸长，最下层向右边伸长，在与无电铜插片16和带电铜插片18互插时相互接触的部位都有绝缘薄片，在组装完成后，可保证接触的部位都处于绝缘的状态。具体装置中铜板的数目越多越有利于传热，但其数目受安装空间和安装位置承重能力的限制。互插完成后结构整体进行钎焊定型，形成一个完整的导热绝缘结构件。

图3所示为采用本实用新型所述高温超导电流引线冷却结构的低温超导磁体系统原理示意图，整个超导磁体由外到内按温区分为三部分：真空容器14、冷屏11和液氦容器9。整个超导磁体运行的冷量通过小型低温制冷机7提供。低温超导磁体8置于液氦容器9内，磁体运行中受热蒸发的氦气通过氦气管10，进入制冷机二级冷头换热器12，氦气冷凝后通过氦液管1送入液氦容器9的底部。冷屏11通过导冷板5冷却，导冷板5的冷量来自制冷机一级冷头换热器13。安全管路15，用于防止氦系统压力过高。低温超导磁体8依次通过低温超导线2、高温超导电流引线3和铜电流引线6连接外部电源。高温超导电流引线3上端通过高温超导电流引线冷却结构4，由导冷板5冷却。优选的，所述带电铜插片18最下层的第二铜板23的一端焊接有高温超导电流引线接头板19；所述带电铜插片18通过所述高温超导电流引线接头板19与高温超导电流引线3的一端通过螺栓连接。所述带电铜插片18最下层的第二铜板23的另一端焊接有铜电流引线接头板20；所述带电铜插片18通过所述铜电流引线接头板20与铜电流引线6的一端通过螺栓连接。所述无电铜插片16最上层的第一铜板21宽度大于其它层的第一铜板21，最上层的第一铜板21比其它层第一铜板21宽出的部位设置有螺栓孔，最上层的第一铜板21与导冷板5通过螺栓连接。

图4为采用现有铜板冷却结构的冷却效果的数值模拟结果，图5插片式冷却结构的冷却效果数值模拟结果，图4和图5中采用的第一铜板21和第二铜板23厚度均为12毫米，绝缘薄片厚度为0.2毫米，铜电流引线6接入处的加热量为10瓦，导冷板5上表面温度为60开尔文，铜的导热系数为258瓦/(米*开尔文)，绝缘薄片的导热系数为0.29瓦/(米*开尔文)，采用现有单层铜板冷却结构，冷却结构最高温度为66.3开尔文。采用本实用新型的插片式冷却结构，冷却结构最高温度为64.6开尔文，相应的高温超导电流引线3上端温度也有所降低。

本实用新型中所述无电铜插片16和带电铜插片18的铜板叠放完成后，通过钎焊定型，钎焊完成后形成一端平齐，一端开口的铜插片结构。所述无电铜插片16和带电铜插片18中间放置多层绝缘薄片后进行互插，互插完成后结构整体进行钎焊定型，形成一个完整的导热绝缘结构件。超导磁体运行过程中热量从高温超导电流引线3通过该导热绝缘结构不断进入导冷板5。高温超导电流引线冷却结构4的冷却效果表现为高温超导电流引线3高温端与导冷板5之间的温差，该冷却效果取决于导冷板5与高温超导电流引线3之间的传热热阻和换热面积。该高温超导电流引线冷却结构4采用插片式结构，在同样的空间内增加了换热面积，因此在保证绝缘的情况下有提高了换热能力，改善了高温超导电流引线3的冷却效果。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本实用新型的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本实用新型的保护范围，凡未脱离本实用新型技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高温超导电流引线冷却结构，其特征在于，包括无电铜插片(16)、带电铜插片(18)和位于无电铜插片(16)与带电铜插片(18)之间的多层绝缘薄片(17)；

所述无电铜插片(16)包括多张叠放的第一铜板(21)，第一铜板(21)的一端通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第一铜板(21)之间形成第一通槽(22)；

所述带电铜插片(18)包括多张叠放的第二铜板(23)，第二铜板(23)的一端通过钎焊连接，另一端为开口，相邻的第二铜板(23)之间形成第二通槽(24)；

所述多层绝缘薄片(17)呈弓字型，包括多层绝缘薄片，相邻的绝缘薄片之间形成第三通槽(25)，相邻的所述第三通槽(25)的开口朝向相反；

所述无电铜插片(16)的第一铜板(21)分别插入所述多层绝缘薄片(17)一侧的第三通槽(25)内，所述带电铜插片(18)的第二铜板(23)分别插入所述多层绝缘薄片(17)另一侧的第三通槽(25)内。

2.根据权利要求1所述高温超导电流引线冷却结构，其特征在于，所述带电铜插片(18)最下层的第二铜板(23)的一端焊接有高温超导电流引线接头板(19)。

3.根据权利要求1所述高温超导电流引线冷却结构，其特征在于，所述带电铜插片(18)最下层的第二铜板(23)的另一端焊接有铜电流引线接头板(20)。

4.根据权利要求1所述高温超导电流引线冷却结构，其特征在于，所述无电铜插片(16)最上层的第一铜板(21)宽度大于其它层的第一铜板(21)，最上层的第一铜板(21)比其它层第一铜板(21)宽出的部位设置有螺栓孔。

5.根据权利要求1所述高温超导电流引线冷却结构，其特征在于，所述多层绝缘薄片(17)的每层绝缘薄片的厚度小于或等于0.2毫米。