專利名稱：用于高溫超導(dǎo)大電流引線的疊片式高效氣冷阻性換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型熱核聚變裝置或其他大型電磁裝置的超導(dǎo)磁體的供電饋線領(lǐng)域， 具體涉及一種用于高溫超導(dǎo)大電流引線的疊片式高效氣冷阻性換熱器。
背景技術(shù)：
熱核聚變將將為人類提供取之不盡的清潔能源，國際熱核聚變試驗堆(ITER)計 劃將在未來十年內(nèi)建成。為其巨型低溫超導(dǎo)磁體饋電的電流引線是最主要的熱負(fù)荷來源。 采用HTS電流引線可使其致冷電耗節(jié)省2/3，這已經(jīng)成為超導(dǎo)磁體供電饋線設(shè)計者的共識。 但從室溫至高溫超導(dǎo)件的溫端仍需應(yīng)用銅電流引線，對于大電流引線通常采用氣流冷卻來 提高致冷效率，然而冷卻氣流與阻性換熱器(有電阻段內(nèi)電流的發(fā)熱和來自高溫側(cè)的傳導(dǎo) 熱與氣流換熱)本體之間的熱交換效率則是能否節(jié)省冷卻氣流流量的關(guān)鍵。2002和03年日、德先后為ITER磁體研發(fā)成功60kA和70kA HTS電流引線，此后， 歐洲核研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)配備了 1100多支HTS電流引線。日原子 能所采用數(shù)十萬股細(xì)銅線組成的阻性換熱器與HTS組件連接，這種細(xì)銅線換熱器的優(yōu)點是 換熱面積特大，但難以保障與氣流之間均勻地?fù)Q熱，有時換熱器因此而燒毀。此外兩端的接 頭電阻會比較大，所以僅適合1千安以下的電流引線。德國卡爾斯魯厄技術(shù)物理所采用在中心銅棒上真空釬焊數(shù)百片開有小孔的銅圓 盤，為增加換熱面積，圓盤厚度1毫米，這樣距芯棒較遠(yuǎn)的部分對傳熱貢獻(xiàn)很差。70kA電流 引線試驗結(jié)果表明，其效率只有87%。又因為真空釬焊很貴，近年在設(shè)計德國超導(dǎo)仿星器 W7-X電流引線時，他們轉(zhuǎn)而采用曲折流翅片(zigzag-flow-fin)換熱器。最近低溫試驗結(jié) 果表明，其效率仍低于90%。LHC對撞機的13千安和6千安電流引線的換熱器都采用曲折 流翅片換熱器，受壓差的限制，翅片間距大，效率低于80%。曲折流換熱器的致命缺點是換 熱面積太小，這必然導(dǎo)致?lián)Q熱器與氣流之間的溫差加大，并要求流量增加。低效換熱器的另一個缺點是從換熱器排出的氦流溫度較低，過剩的冷量還造成電 流引線室溫端結(jié)霜或結(jié)露，降低電絕緣水平。為防止此現(xiàn)象，不得不用電加熱器提高溫度， 耗費額外電功率。

發(fā)明內(nèi)容
基于換熱器基礎(chǔ)理論，足夠的換熱面積是獲得高效率的最基本條件。疊片式換熱 器的面積雖小于細(xì)銅線，但非常容易達(dá)到99%效率；而且電流分布比細(xì)銅線均勻，接頭處 理也容易得多。本發(fā)明的目的是提供一種疊片式換熱器，在同樣的冷卻氣體入口溫度條件 下，在保征高溫超導(dǎo)組件溫端的運行溫度要求下，降低冷卻換熱器的氣流流量，節(jié)省致冷成 本。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器，其 特征在于包括有由多個薄銅板端部之間添加薄銅片墊隔疊置并通過鉚釘固定成一體構(gòu)成換熱器芯體，薄銅板上開有規(guī)則分布的通孔和凸點；換熱器芯體兩端接頭段上、下方分別設(shè) 有厚銅板保護(hù)，疊置的薄銅板之間的間隙構(gòu)成均勻分布的流道；所述的換熱器芯體與兩端 的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段銅件電子束焊接，所述換熱器芯體的流道與其兩端的流道 相通；所述的換熱器芯體非接頭段外用不銹鋼盒封裝，真空氣密。所述的用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器， 其特征在于所述的薄銅板采用高導(dǎo)無氧銅，所述的薄銅板芯部開有小孔和凸點，其兩端銅 板之間視需要在中部也可添加薄銅片墊隔。本發(fā)明的原理如下電流引線阻性換熱器的冷卻因子，即(hPw)，是換熱系數(shù)(指冷卻氣體與換熱器固 體表面)h與濕周界PwW乘積。為說明它對換熱器效率的影響，下面以10千安換熱器為例。 換熱器采用50開溫度氦氣供冷，在IOkA電流時要求換熱器冷端溫度為65開，溫端溫度300 開。據(jù)一維微分方程的數(shù)值解，可獲得不同(hPw)所需的最小氦流。并定文很大(hPw)時 的流量(此值為0. 06克/秒/千安)與各流量之比為換熱器效率，圖1是所得的流量、效 率對(hPw)值曲線。由此圖可見，當(dāng)(hPw) > 1000瓦/開-米時其效率可>99%。再增大 (hPw)值，對效率的貢獻(xiàn)不會大于1%。但當(dāng)(hPw) < 200瓦/開-米時流量增加很快，效率 下降很陡。提高效率應(yīng)該先從增加(hPw)值入手。疊片式換熱器運行時冷卻氣流的雷諾數(shù)在 數(shù)十或數(shù)百，大大低于2300 ；因此屬層流，換熱系數(shù)h = 3. 8*k/de。k是氦流的熱傳導(dǎo)系數(shù)， 與溫度相關(guān)，如圖2所示；de是換熱器流道的等值流動直徑，可表達(dá)為de = 4A/U,式中A是 流道截面積，U是流道周界。此式表明，當(dāng)流道是圓形或方形，則de值最大；若流道是狹縫 時，U值很大，de大大減??；所以，采用間隙狹小的疊片換熱器可獲得de < 0. 5毫米。而曲 折流換熱器的流道采用車床加工時，深度大于20毫米的縫寬2. 5毫米以下是非常難加工 的；因此de往往在4. 5毫米水平，這樣h值會小一個數(shù)量級。從濕周界比較，疊片式換熱器可達(dá)4. 1米；但曲折流換熱器只有1. 14米，二者相差 3倍多。這樣疊片式換熱器的(hPw)值可達(dá)1200(冷端)至4000瓦/開-米(溫端)；而 曲折流換熱器的(hPw)值在< 200瓦/開-米水平。二者差異7至20倍。疊片之間的間隙可由銅片上規(guī)則分布的凸點或凸紋產(chǎn)生，凸起高度控制在0. 3毫 米，當(dāng)不銹鋼上下半盒壓緊后維持間隙 0. 25毫米。為使各間隙中氦流分布均勻，沿長度 方向再開些小孔，孔徑 2毫米。采用上述措施后，載電流的薄銅板與冷卻的氣流之間換熱 比細(xì)銅絲絞纜的換熱器好得多。不銹鋼盒與疊片之間可保留0. 05毫米裝配間隙，不宜更 大，否則會使少量氣流的冷量未被完全利用。所以銅片應(yīng)該寬度一致，宜采用模具-沖床加 工。上下不銹鋼半盒之間的焊縫必須氣密，防止氣流外泄。疊片式換熱器的兩端是電流和氣流進(jìn)出段，重點是確保接頭電阻足夠小。在端部 段采用0. 25毫米銅片填實，上下兩面加厚度5毫米銅板，并用6個鉚釘(10千安換熱器) 或12個鉚釘(68千安換熱器)在油壓機下壓實、鉚緊，使端部可銑削加工至裝配精度的尺 寸。疊片的側(cè)面與銅件采用電子束焊接，原則上，此焊縫長度應(yīng)超過疊片寬度的一半。為進(jìn) 一步降低接頭電阻，還可對端部上下兩面與銅套件的縫隙充填焊錫，可在電子束焊的工藝 槽打直徑2毫米小孔作為焊料進(jìn)縫隙的入口。也可以在電子束焊完成后，采用油壓機將上 下面壓緊的辦法。它比充填焊錫簡單些。完成上述工序后，兩端必須用不銹鋼套管封焊，防止氣流經(jīng)外部短路。影響阻性換熱器效率除了換熱因子(hPw)和接頭電阻外，銅材的純度影響也不可 忽略。室溫下電阻率對4. 2開溫度下的電阻率比值稱為RRR值，此值越大，表征殘留電阻率 越小，則銅材的純度越高。圖6是RRR值對IOkA阻性換熱器效率與氦流量的影響。如果采 用RRR = ο的銅材(比如常見的T2牌號銅)，則效率只能達(dá)到92. 6%。然而采用RRR = 90銅材，換熱器十分接近理想效率100%，但價格很高。因此，采用RRR值大于50銅材，保 障換熱器效率高于99%是相對既經(jīng)濟(jì)、又滿足高效率要求的選擇。本發(fā)明的實施效果本發(fā)明已成功地應(yīng)用于電流以脈沖模式變化、最大幅值為IOkA高溫超導(dǎo)電流引 線。該電流引線的優(yōu)化運行電流按8kA設(shè)計，在8kA穩(wěn)態(tài)電流下測定其流量為0. 488克/ 秒，它與電流的比流量為0. 061克/秒/千安。效率100%的理論比流量為0. 06克/秒/ 千安，因此，其效率高達(dá)98. 4%。該換熱器銅板厚0. 4mm,銅板牌號TUl，制作前RRR值為42， 但在制作中由于加工硬化，退化為34。所以，獲得98. 4%效率與理論預(yù)期是相吻合的。本發(fā)明提供的疊片式換熱器設(shè)計不僅性能高、換熱面積大，且與冷卻氣流換熱均 勻，換熱效率高于99 %，接頭電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅線電纜換熱器。


圖1為本發(fā)明IOkA換熱器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的截面圖，(b)為 本發(fā)明銅薄板的開孔與凸點陣圖。圖2為本發(fā)明IOkA阻性換熱器的最小冷卻氦流量、換熱效率與換熱因子(hPw)函 數(shù)關(guān)系圖。圖3為本發(fā)明壓力3巴氦氣的熱導(dǎo)率與溫度之間關(guān)系圖。圖4為本發(fā)明68千安換熱器橫截面剖視圖。圖5為本發(fā)明換熱器端部與銅套件的裝配和電子束焊接示意圖。圖6為本發(fā)明銅片材料的RRR值對10千安疊片式換熱器效率和最小氦流量的影 響
具體實施例方式參見圖1，一種用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式 換熱器，包括有由多個薄銅板之間添加薄銅片墊隔疊置并通過鉚釘固定成一體構(gòu)成換熱器 芯體1，薄銅板上開有規(guī)則分布的通孔4和凸點5 ；換熱器芯體1上、下方分別設(shè)有厚銅板 3保護(hù)，疊置的薄銅板之間的間隙構(gòu)成均勻分布的流道；換熱器芯體1與兩端的電流引線室 溫段與高溫超導(dǎo)段銅件電子束焊接，換熱器芯體1的流道與其兩端的流道相通；換熱器芯 體1外用不銹鋼盒2封裝，真空氣密。薄銅板采用高導(dǎo)無氧銅，薄銅板使中部也添加了薄銅片墊隔。以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明圖1為本發(fā)明IOkA換熱器橫截面剖視圖(a)和換熱器薄銅板(b)，由于要求的導(dǎo) 電截面積僅840毫米2，故取矩形。換熱器銅片1的厚度0.4毫米，寬度44毫米，其上規(guī)則 分布有0. 25-0. 3毫米高度的凸起點陣；不銹鋼盒2由上下半盒組成；銷子3在組裝時定位
圖2是IOkA阻性換熱器的最小冷卻氦流量、換熱效率與換熱因子(hPw)函數(shù)關(guān)系 圖。圖3是壓力3巴氦氣的熱導(dǎo)率與溫度之間關(guān)系，來自！fepak軟件。熱導(dǎo)率隨溫度 升高而增長，在室溫的熱導(dǎo)率是50開時的3倍。圖4為本發(fā)明68千安換熱器橫截面剖視圖，呈十字形。如果仍然取矩形，鑒于端 部電子束焊深的限制，將導(dǎo)致矩形寬度大增；取十字形后，焊縫數(shù)目增加一倍，但焊深大大 減小。而且十字形與兩端圓形銅件匹配得合理，與外絕緣圓筒也相對緊湊。在換熱器端部 有疊片1、中心襯條9和兩邊襯條7，上下中壓板2和邊壓板3，在油壓機壓緊后用鉚釘8和 6固定。上下不銹鋼盒4和5只在換熱器主段周圍，不覆蓋兩端部，因此用點劃線表示。圖 中疊片的兩側(cè)(標(biāo)記①-④)將與銅套件縱向電子束焊，與等面積的矩形相比，焊縫深度減 小很多，從而降低了對電子束焊機的功率要求。圖5表示換熱器端部1與銅套件2的裝配關(guān)系和電子束焊縫的工藝槽A，焊接時電 子束將穿透工藝槽底厚度，把換熱器端部側(cè)面B與銅套件融接在一起。圖6是銅片材料的RRR值對10千安疊片式換熱器效率和最小氦流量的影響。在 數(shù)值模擬中換熱器的截面積=1000毫米2，其溫端溫度=300開，冷端溫度=65開，氦流入 口溫度=50開。
權(quán)利要求
1.一種用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器，其特 征在于包括有由多個薄銅板疊端部之間添加薄銅片墊條隔置，并通過鉚釘固定成一體構(gòu)成 換熱器芯體，薄銅板上開有規(guī)則分布的通孔和凸點；換熱器芯體兩端接頭段上、下方分別設(shè) 有厚銅板保護(hù)；疊置的薄銅板之間的間隙構(gòu)成均勻分布的流道；所述的換熱器芯體與兩端 的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段銅件采用電子束焊接，所述換熱器芯體的流道與其兩端的 流道相通；所述的換熱器芯體非兩端接頭段外用不銹鋼盒封裝，真空氣密。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的 疊片式換熱器，其特征在于所述的薄銅板采用高導(dǎo)無氧銅，所述的換熱器兩端薄銅板之間 視需要在中部也可添加薄銅片墊隔條。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器，包括有由多個薄銅板疊之間添加薄銅片墊條隔置并通過鉚釘固定成一體構(gòu)成換熱器芯體，薄銅板上開有規(guī)則分布的通孔和凸點；換熱器芯體兩端接頭段上、下方分別設(shè)有厚銅板保護(hù)，疊置的薄銅板之間的間隙構(gòu)成均勻分布的流道；換熱器芯體與兩端的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段銅件電子束焊接，換熱器芯體的流道與其兩端的流道相通；換熱器芯體非接頭段外用不銹鋼盒封裝，真空氣密。本發(fā)明提供的疊片式換熱器設(shè)計不僅性能高、換熱面積大，且與冷卻氣流換熱均勻，換熱效率高于99％，接頭電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于銅線電纜換熱器。
文檔編號F28F3/08GK102142312SQ20101060556
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者周挺志, 畢延芳 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所