專利名稱：一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝置，屬于超導(dǎo) 技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高溫超導(dǎo)體的臨界特性測試實(shí)驗(yàn)被譽(yù)為近代物理史上最為經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)之一。臨界電流 特性是超導(dǎo)體三個(gè)臨界特性之一。高溫超導(dǎo)體的臨界電流特性實(shí)驗(yàn)通常將高溫超導(dǎo)帶材浸 泡于低溫液體(如液氮，液氦)中，通過改變磁場大小及磁場方向來測得不同的臨界電流 值。
電流引線在測量臨界電流特性實(shí)驗(yàn)中起到十分重要的作用,用來連接室溫電源與超導(dǎo) 帶材，并給后者施加電流。這期間，引線低溫端面?zhèn)鬟f出來的熱量引起冷卻液體的蒸發(fā)， 蒸發(fā)出的冷氣體再繼續(xù)冷卻電流引線。在過冷液氮溫度64K下，釔系氧化物YBCO超導(dǎo) 帶材的臨界電流密度甚至可以達(dá)到數(shù)萬安培/平方厘米。大電流引起的焦耳熱以及由于引線 兩端的溫度差帶來的傳導(dǎo)漏熱將造成冷卻液體的大量蒸發(fā)，從而大大增加了冷卻成本。因 此電流引線的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得非常重要了。
由于引線處于室溫與低溫液體的溫度差中，引線越靠近低溫端位置，熱導(dǎo)率越大，電 阻率越小，從而造成傳導(dǎo)漏熱較大，焦耳熱較小，同時(shí)引線下部的冷卻氣體溫度最低，冷 卻能力較高，傳統(tǒng)的等截面電流引線并沒有利用上電流引線的這些特點(diǎn)，造成了冷卻氣體 的浪費(fèi)，間接增加了冷卻成本。電流引線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要通過對電流引線 熱平衡方程的求解來實(shí)現(xiàn)對電流引線的長度與截面積大小的優(yōu)化計(jì)算，使得引線低溫端面 漏出的熱量最小，減少冷卻介質(zhì)的消耗，降低冷卻成本。自1959年科學(xué)家McFee R.在 《Review of Scientific Instruments》雜志公開發(fā)表第一篇有關(guān)超導(dǎo)磁體用電流引線優(yōu)化設(shè)計(jì) 文章的近50年時(shí)間內(nèi)，各國從事超導(dǎo)應(yīng)用研究的科技工作者和工程技術(shù)人員在電流引線 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上做了大量的工作，從而出現(xiàn)了很多種計(jì)算方法，例如偏微分方程純解析 解法，分段計(jì)算方法，基于有限元軟件的數(shù)值計(jì)算方法等。這些方法中有些可以通用于大 部分的氣冷電流引線設(shè)計(jì)，有些則只針對一些特殊的工況?？偟膩碚f這些計(jì)算方法均是建 立在對電流引線熱平衡方程求解的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工況，對一些計(jì)算參數(shù)(如引線材料的物性，引線與冷卻氣體的熱交換效率等)做一些合理的假設(shè)，從而得到一個(gè)較為接近 實(shí)際情況的優(yōu)化參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝 置，該裝置使用的直銅棒變截面電流引線，使用改進(jìn)的氣冷電流引線分段計(jì)算法對變截面 電流引線幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；銅絞線與鉍系氧化物BSCCO帶材并聯(lián)焊接的混合引 線段，用于連接直銅棒變截面引線末端與釔系氧化物YBCO帶材。通過這樣的混合結(jié)構(gòu)， 達(dá)到了減小電流引線漏熱，降低YBCO臨界電流特性測試系統(tǒng)冷卻成本的目的。本發(fā)明 內(nèi)容包括
本發(fā)明提出了一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝置，其特征 在于直銅棒變截面電流引線的室溫端接線柱安裝在杜瓦法蘭上，直銅棒變截面電流引線的 上端焊接在室溫端接線柱的下端，直銅棒變截面電流引線的下端與BSCCO帶材與銅絞線 混合引線段相連，之后再與釔系氧化物YBCO帶材相連，釔系氧化物YBCO帶材置于背 景磁體中部的長條形均勻氣隙中，并通過釔系氧化物YBCO帶材吊桿連接到杜瓦法蘭上， 背景磁體放置在背景磁體托盤上并通過背景磁體吊桿連接到杜瓦法蘭上，直銅棒變截面電 流引線的末端處于液氮液面位置，鉍系氧化物BSCCO帶材與銅絞線混合引線段處于液氮 之中。
本發(fā)明的裝置中所述直銅棒變截面電流引線具有使用氣冷電流引線分段計(jì)算方法設(shè)計(jì) 的逐漸變化的截面。


圖1示出了電流引線結(jié)構(gòu)分析計(jì)算模型；
圖2示出了電流引線分段計(jì)算模型示意圖 ，
圖3示出了電流引線漏熱與液氮蒸發(fā)率關(guān)系曲線；
圖4示出了變截面氣冷電流弓I線計(jì)算方法流程圖5示出了電流引線溫度分布仿真結(jié)果；
圖6示出了電流引線設(shè)計(jì)幾何尺寸參數(shù)，其中，5、直銅棒變截面電流引線；6、 BSCCO 帶材與銅絞線混合引線段；
4圖7示出了電流引線實(shí)際裝配圖，其中，1、杜瓦法蘭；2、室溫端接線柱；3、背景 磁體吊桿；4、 YBCO帶材吊桿；5、直銅棒變截面電流引線；6、 BSCCO帶材與銅絞線混 合引線段；7、 YBCO帶材；8、背景磁體；9、背景磁體托盤。
具體實(shí)施例方式
為詳細(xì)描述本發(fā)明設(shè)計(jì)原理，圖l是一根典型的氣冷電流引線的熱流分布圖，根據(jù)經(jīng) 典傳熱學(xué)定律，可以分析得到各部分熱流如下-
(1) 根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，可得電流引線任意位置x處截面通過的熱量為
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
式中，g是熱流量，指單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面面積的熱量，單位為『；《為導(dǎo)熱系數(shù)或 熱導(dǎo)率，它反映物體的導(dǎo)熱能力，常由實(shí)驗(yàn)測得，單位為『/—P; ^是引線截面積，即垂 直于導(dǎo)熱方向的截面面積，單位為w、 c/77血為引線截面處的溫度梯度;負(fù)號(hào)表示熱量傳遞 方向與溫度梯度方向相反。
(2) 根據(jù)牛頓冷卻公式得到冷卻氣體與電流引線對流換熱量為
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
式中zir是引線壁面溫度與冷卻氣體溫度之差的絕對值；」是對流換熱面積；A是對流換熱 系數(shù)
(3) 電流引線通過電流/時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱大小為<formula>formula see original document page 5</formula>
式中;O為引線材料的電阻率，Z為引線長度，^為引線截面積。
根據(jù)能量守恒定律，我們可以得到氣冷電流引線的熱平衡方程如下
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
<formula>formula see original document page 5</formula>
(4)
圖2是氣冷電流引線分段計(jì)算方法微元分析示意圖，設(shè)將引線分成n段，并使每段引
線兩端的溫差都相等，令為zir，且設(shè)引線各處的截面積相等，于是
△r = 1("+1) (5)
如果分段數(shù)足夠大，對于每一段引線材料的電阻率A，熱導(dǎo)率yt,和冷卻氣體的比熱G可以近似的認(rèn)為是常數(shù)。于是第/段引線滿足以下邊界條件的微分方程
對其求解可以得到第i段引線的溫度分布函數(shù)為
(6)
1汰
(7)
將邊界條件帶入，可以解得
7
/2M
如c巧 分，-
(8)
尸!'
5 =
C7
一(=
0
2<P
、廣加cy,j,.
將式(9)整理得到從第/段引線末端流出的熱量込，
八
+ ■
(9)
2 AZ..
、A
/《
(10)
式中AY/'為第z'段引線的長度。另外，對于第/段引線，根據(jù)能量守恒定律，應(yīng)滿足下列 方程
(11)
消去0/，整理得
A:. S
exp(^~^~4 — 1 = 0
(12)
通過逐段引線的迭代計(jì)算，就可以求得各段引線的長橫比
"AX2 AZ3 AZ
7，丁， j，…'7
6和各段引線的漏熱
0，込,込,…必
其中g(shù)"就是從電流引線下端流入低溫裝置的最小熱量，即
1=0 (13) 整個(gè)電流引線的最佳長橫比為各段引線長橫比之和，即
線
人p( : s
乂
自冷變截面電流引線計(jì)算方法是在引線的分段計(jì)算中加入一個(gè)截面積漸變函數(shù)，使得 引線的截面積逐段減小來達(dá)到構(gòu)建變截面引線的目的。
要計(jì)算最佳引線的形狀因子，首先需要求出引線尺寸最佳時(shí)由電流引線末端流入低溫 容器的熱量而引起的液氦蒸發(fā)率?？扇∫幌盗械?dú)饬髁恐涤?jì)算從引線末端流出的熱量，則 根據(jù)這組數(shù)據(jù)可繪出一條Q^/r^的曲線。同時(shí)對于自冷電流引線，液氮蒸發(fā)率與液氮潛熱
之間滿足線性函數(shù)關(guān)系2= 7*<^，又可作一條曲線，兩條曲線交點(diǎn)處對應(yīng)的橫坐標(biāo)柳值即為 自冷優(yōu)化引線的液氮蒸發(fā)率值。圖3畫出了這兩條曲線，交點(diǎn)即為所求的液氮蒸發(fā)率。
求得優(yōu)化引線的液氮蒸發(fā)率值后，即可開始根據(jù)分段計(jì)算方法計(jì)算分段引線每一段的
G與/wys。同時(shí)設(shè)定一個(gè)引線室溫端截面積半徑初值W，引線截面積半徑變化步^r，則 S產(chǎn)7rW-^^/，&與JI/S相乘即可得到每段引線的長度zL^，相加即可得到優(yōu)化引線的總長度 X。圖4為計(jì)算方法的流程圖。
使用此計(jì)算方法對一個(gè)第二代YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一 根變截面電流引線。圖5為此電流引線在500A額定電流下電流引線的溫度分布仿真計(jì)算 結(jié)果。
此外，在直銅棒末端焊接一段由銅絞線與BSCCO超導(dǎo)帶材并聯(lián)焊接而成的混合引線 段。當(dāng)BSCCO超導(dǎo)帶材浸泡于液氮之中，工作于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電流就會(huì)經(jīng)BSCCO超導(dǎo)帶 流入YBCO帶材之中，從而不產(chǎn)生焦耳熱。與單純使用銅絞線連接電流引線與YBCO帶 材情況相比，更進(jìn)一步減少了電流引線的漏熱。
按照優(yōu)化計(jì)算所得的優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸制做了變截面電流引線，如圖6所示。電流引線實(shí) 際裝配圖如圖7所示。電流引線室溫端接線柱2安裝在杜瓦法蘭1上，直銅棒變截面電流 引線5的上端焊接在室溫端接線柱2的下端，其下端與BSCCO帶材與銅絞線混合引線段 6相連，之后再與YBCO帶材7相連。YBCO帶材7置于背景磁體8中部的長條形均勻氣隙中并通過YBCO帶材吊桿4連接到杜瓦法蘭1上。背景磁體8放置在背景磁體托盤9上 并通過背景磁體吊桿3連接到杜瓦法蘭1上。裝置中，直銅棒變截面引線5的末端處于液 氮液面位置，BSCCO帶材與銅絞線混合引線段6處于液氮之中。通過這樣的混合結(jié)構(gòu)， 達(dá)到了減小電流引線漏熱，降低YBCO臨界電流特性測試系統(tǒng)冷卻成本的目的。
此處己經(jīng)根據(jù)特定的示例性實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在 不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實(shí)施例僅僅是例 證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1、一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝置，其特征在于直銅棒變截面電流引線(5)的室溫端接線柱(2)安裝在杜瓦法蘭(1)上，直銅棒變截面電流引線(5)的上端焊接在室溫端接線柱(2)的下端，引線(5)的下端與鉍系氧化物BSCCO帶材與銅絞線混合引線段(6)相連，之后再與釔系氧化物YBCO帶材(7)相連，釔系氧化物YBCO帶材(7)置于背景磁體(8)中部的長條形均勻氣隙中，并通過釔系氧化物YBCO帶材吊桿(4)連接到杜瓦法蘭(1)上，背景磁體(8)放置在背景磁體托盤(9)上并通過背景磁體吊桿(3)連接到杜瓦法蘭(1)上，直銅棒變截面電流引線(5)的末端處于液氮液面位置，鉍系氧化物BSCCO帶材與銅絞線混合引線段(6)處于液氮之中。
2、 如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于所述直銅棒變截面電流引線(5)具有使用 氣冷電流引線分段計(jì)算方法設(shè)計(jì)的逐漸變化的截面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用變截面電流引線測量高溫超導(dǎo)體臨界電流特性的裝置，該裝置使用的直銅棒變截面電流引線，使用改進(jìn)的氣冷電流引線分段計(jì)算法對變截面電流引線幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；銅絞線與BSCCO帶材并聯(lián)焊接的混合引線段，用于連接直銅棒變截面引線末端與YBCO帶材。通過這樣的混合結(jié)構(gòu)，達(dá)到了減小電流引線漏熱，降低YBCO臨界電流特性測試系統(tǒng)冷卻成本的目的。
文檔編號(hào)G01R31/00GK101446611SQ20081022718
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者明 丘, 張宏杰, 田軍濤, 諸嘉慧 申請人:中國電力科學(xué)研究院