CN2826635Y - 铜电流引线段的多螺旋翅片换热器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种气冷铜电流引线的多螺旋翅片换热器，所述换热器的基本特征是在一段厚壁铜管上开有平行的二～五头螺旋槽。本实用新型适用于运行电流10kA以上的大型超导磁体，并采用液氮和氮蒸汽冷却铜引线段的高温超导电流引线。它具有加工制造难度低、换热效率较高和冷却气流压差小等优点。已应用于大型超导托卡马克核聚变试验装置EAST的5对15－16kA高温超导电流引线，其气冷铜电流引线段的换热效率可高达98％。
Description
技术领域
本实用新型属于高温超导强电应用技术领域中的高温超导电流引线，具体而言是一种铜电流引线的新型多螺旋翅片换热器。
背景技术
处于4K的低温超导磁体或～20K的高温超导磁体都经过电流引线与电源连接。高温超导电流引线比传统的气冷常规电流引线可大幅度节省致冷量，从而大幅度节省制冷设备投资和运行费。
高温超导电流引线由室温至中间温度(50-78K)的铜电流引线和中间温度至低温的高温超导段组成。现有的气冷常规电流引线有多束细铜丝、多薄铜片、蜂窝管、同轴多管、折流翅片和单螺旋翅片等换热器型式。前4种换热器取材容易，换热效果好，但与两端的连接都要求真空钎焊，增加了工艺难度；螺旋翅片换热器虽机加工较麻烦，换热面积少一些，但可避免真空钎焊，因此仍较受欢迎。
实用新型内容
本实用新型的目是为10kA以上的大型超导磁体电流引线提供制造简单、使用效果又好的铜电流引线段的多螺旋翅片换热器。
本实用新型的技术方案如下：
铜电流引线段的多螺旋翅片换热器，铜电流引线段为铜管，其特征是在铜管换热器段上开有平行的二～五头螺旋槽。
所述的铜电流引线段的多螺旋翅片换热器，其特征在于换热器段上开有平行的三头螺旋槽。
工作温区适合于的电流引线。
本实用新型主要应用于氮蒸汽冷却的铜电流引线，其冷端用70-78K液氮冷却，并与高温超导段连接。传统的电流引线冷端用液氦冷却，蒸发的冷蒸汽冷却其换热器，通常称为气冷电流引线。单位质量液氮的蒸发潜热比液氦高约10倍，而氮气的质量比热仅仅是氦气的1/5。因此，冷氮气的显热对蒸发潜热之比远远低于冷氦气对液氦之比，而且在同样温度和压力下氮气的密度在300K/1bar下为1.123kg/m3，也远大于氦气(300K/1bar下为0.1604kg/m3)。根据气冷电流引线优化设计，自洽冷却情况下，液氮冷却电流引线的最低消耗率为0.13g/s/kA，而液氦冷却时为0.045g/s/kA。可见氮气的体积流量只是氦气的41％，这样采用流道截面积相对较小的螺旋翅片换热器是十分合适的。
由于铋锶钙铜氧高温超导的临界电流随冷却温度降低而提高，也考虑到其热导率随温度降低而逐步降低。因此，采用对液氮减压降温将明显提高高温超导电流引线运行的温度裕度和稳定性，降低冷端的热负荷。这要求冷氮气流经螺旋槽的阻力小、压差小。若采用3头螺旋槽，它比单头螺旋槽流阻降低了一个数量级。因为，它的流道长度缩短了约3倍，而每槽的流量减为1/3。根据紊流压差的计算公式：
式中ξ-阻力系数，L-流道长度，γ\-氮气密度，wi-流速，Dh-等效水力直径。由上式可见，3头螺旋槽的压差是单头的～1/27。而两者的换热面积大体相等。
稳定性是高温超导电流引线的关键技术指标之一，即一旦冷却剂供应中断后，容许电流引线继续承载电流多长时间而不损坏。对于氦气冷却的情况下增加此时间参数的唯一办法是增加铜电流引线的质量或降低电流密度，即加大热容量。金属材料的比热随温度下降而减小，如果采用适量的液氮作热沉，则能有效地增加高温超导段上端从运行温度上升至失超温度的时间。从而非常有效地提高高温超导电流引线运行的安全性和可靠性。
实用新型的效果
单头螺旋槽换热器型式是比较常用的低温超导磁体铜电流引线，在铜棒上车螺旋槽。最初为追求大的换热面积，采用较深的螺旋槽，但过高的翅片降低了换热效率，后来普遍采用较浅的螺旋槽，使冷却气体流动的雷诺数进入紊流区，从而达到高的换热系数。据相关文献报道，采用这种结构的7kA和10kA电流引线的每千安的液氦消耗率为0.05g/s，说明其换热器的效率优于95％。
由于高温超导材料在50K温度以上其临界电流对垂直磁场十分敏感，为减小大电流引线的自场，往往将高温超导段做成直径充分大的管状或圆筒状。与此匹配的螺旋槽铜电流引线采用铜管制造比较合理，这样既增加换热面积对导电面积之比，并缩短发热体与散热面的传热距离，从而提高换热效率。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
实施例
参见图1。
铜电流引线的三头螺旋翅片换热器，是用车床在铜管1上加工三条平行的螺旋槽2、3、4而成。
15kA铜电流引线，其螺旋槽深度和宽度为6mm和4mm，三头螺旋翅片换热器2的外径88mm。用一台抽速60L/s水环泵与电流引线的氮排气连接，并使冷却高温超导电流引线的液氮减压降温至70K，对应的液氮绝对压力为0.39bar。使得在78K液氮冷却下载流能力为13kA高温超导电流引线，在71K温度轻松地通过20kA电流。
Claims (2)
1、铜电流引线段的多螺旋翅片换热器，铜电流引线段为铜管，其特征是在铜管换热器段上开有平行的二～五头螺旋槽。
2、根据权利要求1所述的铜电流引线段的多螺旋翅片换热器，其特征在于换热器段上开有平行的三头螺旋槽。
Priority Applications (1)
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| CN 200520070865 CN2826635Y (zh) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | 铜电流引线段的多螺旋翅片换热器 |
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| CN 200520070865 CN2826635Y (zh) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | 铜电流引线段的多螺旋翅片换热器 |
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| CN2826635Y true CN2826635Y (zh) | 2006-10-11 |
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ID=37066818
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| CN (1) | CN2826635Y (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106449005A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-02-22 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件 |
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2005
- 2005-04-15 CN CN 200520070865 patent/CN2826635Y/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN106449005A (zh) * | 2016-09-27 | 2017-02-22 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种液氮迫流冷却型电流引线的换热器组件 |
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