專利名稱：一種變截面電流引線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)帶材臨界電流特性測(cè)試系統(tǒng)的變截面電流引線，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(cè)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(chǎng)大小及磁場(chǎng)方向來測(cè)得不同的臨界電流 值。
電流引線在測(cè)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 流弓I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(duì)電流引線 熱平衡方程的求解來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流引線的長(zhǎng)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(duì)一些特殊的工況?？偟膩碚f這些計(jì)算方法均是建立在對(duì)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(duì)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)一種適用于釔系氧化物YBCO帶材臨界電流特性測(cè)試用的 氣冷變截面電流引線，應(yīng)用改進(jìn)的氣冷電流引線分段計(jì)算法對(duì)變截面電流引線的幾何 結(jié)構(gòu)參數(shù)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)，本發(fā)明內(nèi)容包括
一種變截面電流引線，其特征在于，該電流引線具有沿長(zhǎng)度方向上橫截面積進(jìn) 行變化的結(jié)構(gòu)，所述橫截面積的變化方式使用氣冷電流引線分段計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算 得到，并且由鉍系氧化物BSCCO超導(dǎo)帶材與銅絞線并聯(lián)而成的混合引線段連接于所 述電流引線末端與YBCO帶材之間。
依據(jù)本發(fā)明的變截面電流引線其特征在于所述電流引線是直銅棒。
依據(jù)本發(fā)明的變截面電流引線其特征在于所述氣冷電流引線分段計(jì)算方法包括 以下步驟
(1) 根據(jù)超導(dǎo)設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及電流引線的工作環(huán)境確定計(jì)算初值，包括引 線室溫端截面半徑R，引線室溫端、低溫端溫度Th、 Tl，引線室溫端熱流Q0，液 氮蒸發(fā)率優(yōu)化值m，引線分段計(jì)算的分段數(shù)n，其中n為正整數(shù)；
(2) 設(shè)定引線截面半徑變化步長(zhǎng)Ar，使得引線截面積逐段減小，構(gòu)建變截面 電流引線函數(shù)，第i段引線的截面積Si-n (R-iAr) 2，其中i為正整數(shù)；
(3) 從引線室溫端的第1段開始，通過氣冷電流引線熱平衡方程的數(shù)值求解， 逐段進(jìn)行迭代計(jì)算，得到各段引線的最佳形狀因子AXl/Sl,AX2/S2,…，AXn/Sn和 各段引線的末端漏熱值Ql，Q2，…,Qn;
(4) 將Si與AXi/Si相乘即可得到各段引線的最佳長(zhǎng)度，對(duì)其相加即可得到整 根引線的最佳長(zhǎng)度X，由此可得變截面電流引線低溫端的截面積為Sn，優(yōu)化后引線 末端漏熱為Qn。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的適用于YBCO帶材臨界電流特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的氣冷變截面電流引線， 具有以下效果和優(yōu)點(diǎn)-
(1)充分考慮引線下部冷卻氣體溫度較低的特點(diǎn)，通過使用變截面結(jié)構(gòu)，增加引線下部的換熱量，提高引線下部冷卻氣體換熱效率，減少冷卻介質(zhì)消耗。
(2)在相同材料量，相同漏熱的條件下可以獲得更短的引線長(zhǎng)度，以滿足超導(dǎo) 裝置日益小型化的特點(diǎn)。
(3)通過在直銅棒末端與YBCO帶材之間焊接一段由銅絞線與BSCCO帶材并 聯(lián)而成的混合引線，可以進(jìn)一步減小處于冷卻液體中的引線段的發(fā)熱，減少冷卻介 質(zhì)消耗。


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引線計(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，1、直銅棒變截面電流引線；2、BSCCO 帶材與銅絞線混合引線段。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。為詳細(xì)描述本發(fā)明設(shè)計(jì)原理，圖1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
2 = -"! (l) 血
式中，0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『；K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(cè)得，單位為欣《附"；^是引線截面積，即垂 直于導(dǎo)熱方向的截面面積，單位為w J77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(duì)流換熱量為
0 =磁7 =《~^ (2)
式中Zir是引線壁面溫度與冷卻氣體溫度之差的絕對(duì)值；j是對(duì)流換熱面積；A是對(duì)流換熱(3)電流引線通過電流/時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱大小為
式中p為引線材料的電阻率，丄為引線長(zhǎng)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
(3)
血,
(4)
血 "r血
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w段，并使每段引
線兩端的溫差都相等，令為^r，且設(shè)引線各處的截面積相等，于是
(5)
如果分段數(shù)足夠大，對(duì)于每一段引線材料的電阻率y9,，熱導(dǎo)率A,和冷卻氣體的比熱C, 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
A =^蕓+ ^義-/《,乂+1
對(duì)其求解可以得到第/段引線的溫度分布函數(shù)為
(6)
— 姨
汰
-x
汰
汰
整理得
將邊界條件帶入，可以解得
義
血+ 5
(7)尸,.
5 =
2
一C尸,./"附c尸,
/、p
竭-
(8)
/ m C尸,
'i+l
、廣/《,.x,.
一l
尸'八
(9)將式(9)整理得到從第/段引線末端流出的熱量&,
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
式中ay 為第/段引線的長(zhǎng)度。另外，對(duì)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g/，整理得
<formula>formula see original document page 7</formula>
通過逐段引線的迭代計(jì)算，就可以求得各段引線的長(zhǎng)橫比
AJ^ AX2 AX3 AX
和各段引線的漏熱
其中QM就是從電流引線下端流入低溫裝置的最小熱量，即
整個(gè)電流引線的最佳長(zhǎng)橫比為各段引線長(zhǎng)橫比之和，即
<formula>formula see original document page 7</formula>
(12)
<formula>formula see original document page 7</formula>(13)
<formula>formula see original document page 7</formula>(14)
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。可取一系列氮?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2=/(>^的曲線。同時(shí)對(duì)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0=附*(^，又可作一條曲線，兩條曲線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)m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 込與JX/S。同時(shí)設(shè)定一個(gè)引線室溫端截面積半徑初值i ，引線截面積半徑變化步^zlr，則s產(chǎn) r^-^^/,&與zoys相乘即可得到每段引線的長(zhǎng)度zix,，相加即可得到優(yōu)化引線的總長(zhǎng)度
義。圖4為計(jì)算方法的流程圖。
使用此計(jì)算方法對(duì)一個(gè)第二代YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測(cè)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。 此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。對(duì)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(duì)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、一種變截面電流引線，其特征在于，該電流引線具有沿長(zhǎng)度方向上橫截面積進(jìn)行變化的結(jié)構(gòu)，所述橫截面積的變化方式使用氣冷電流引線分段計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算得到，并且由鉍系氧化物BSCCO超導(dǎo)帶材與銅絞線并聯(lián)而成的混合引線段連接于所述電流引線末端與釔系氧化物YBCO帶材之間。
2、 如權(quán)利要求1所述的變截面電流引線，其特征在于所述電流引線是直銅棒。
3、 如權(quán)利要求2所述的變截面電流引線，其特征在于所述氣冷電流引線分段計(jì)算方 法包括以下步驟(1) 根據(jù)超導(dǎo)設(shè)備的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及電流引線的工作環(huán)境確定計(jì)算初值，包括引線室 溫端截面半徑i ，引線室溫端、低溫端溫度7^、 7)，引線室溫端熱流2c，液氮 蒸發(fā)率優(yōu)化值m，引線分段計(jì)算的分段數(shù)"，其中w為正整數(shù)；(2) 設(shè)定引線截面半徑變化步長(zhǎng)Jr，使得引線截面積逐段減小，構(gòu)建變截面電流引 線函數(shù)，第i段引線的截面積S產(chǎn);r (7 -""2，其中i為正整數(shù)；(3) 從引線室溫端的第1段開始，通過氣冷電流引線熱平衡方程的數(shù)值求解，逐段 進(jìn)行迭代計(jì)算，得到各段引線的最佳形狀因子/^/^1￥2/&,...;/1;^&和各段引 線的末端漏熱值(4) 將&與z!X/S,相乘即可得到各段引線的最佳長(zhǎng)度，對(duì)其相加即可得到整根引線的 最佳長(zhǎng)度X由此可得變截面電流引線低溫端的截面積為S"，優(yōu)化后引線末端漏 熱為g 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測(cè)試系統(tǒng)的變截面電流引線，屬于應(yīng)用超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，包括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(duì)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，用于連接所述直銅棒變截面引線末端與YBCO帶材。本發(fā)明設(shè)計(jì)的變截面電流引線具有漏熱小，冷卻效率高，節(jié)省引線材料和制冷成本的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01R1/06GK101446598SQ20081022718
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)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, 田軍濤, 諸嘉慧, 斌 魏 申請(qǐng)人:中國電力科學(xué)研究院