專利名稱：大幅度增加高溫超導電流引線穩(wěn)定性的液氮/氮蒸汽冷卻方法
技術領域：
本發(fā)明涉及大型超導磁體的高溫超導電流引線冷卻技術。
背景技術：
20世紀60年代工程超導材料的發(fā)展為超導技術大規(guī)模地應用于高能加速器、核聚變實驗裝置和高場磁體等成為可能。但4K低溫致冷技術的難度阻礙了低溫超導的應用和運行費用，而其中為大型超導磁體饋電的電流引線是最主要的熱負荷。80年代后期高溫超導材料的研發(fā)成功，很快有人想到應用于電流引線，使其熱負荷下降一個數(shù)量級。小型超導磁體采用高溫超導電流引線已可買到商用的產(chǎn)品。但大型磁體的高溫超導電流引線仍僅僅處于開發(fā)階段，尚沒有投入使用，人們最擔心的是它的穩(wěn)定性和安全性，如果冷卻高溫超導電流引線的冷氣流因壓縮機或制冷機的故障而中止，它能否在大型磁體所貯存的巨大能量泄放時不損壞，一直沒有得到驗證。
冷卻中止后的電流引線由于焦耳熱和傳導熱作用下會快速升溫，這使高溫超導段轉變成正常態(tài)，在正常態(tài)的高溫超導材料電阻率比銅高2～3個數(shù)量級，如果無分流器，則必然燒毀。
現(xiàn)有高溫超導電流引線幾乎都是由高溫超導段和銅電流引線組成，采用冷氦氣冷卻高溫超導段熱端。為提高安全性，在高溫超導電流引線段熱端增加固體材料的熱沉，并對高溫超導段的分流器取較低電流密度。前者會大大增加電流引線的質量，后者會犧牲熱負荷減小的倍數(shù)。一旦冷卻中斷，兩者都能延緩高溫超導電流引線熱端升溫。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種大幅度增加高溫超導電流引線穩(wěn)定性的液氮/氮蒸汽冷卻方法，采用液氮作為熱沉，它同時冷卻高溫超導段的熱端，只要保持冷卻用的液氮充足，不會由于電力故障或制冷機故障導致冷卻電流引線的冷卻氣流中斷；利用液氮的汽化潛熱比同體積的銅材溫升5K的焓差高18倍多，由于大幅度增加熱沉，可避免高溫超導向正常態(tài)轉變，從而不必加大分流器的截面積。
本發(fā)明的技術方案如下大幅度增加高溫超導電流引線穩(wěn)定性的液氮/氮蒸汽冷卻方法，電流引線由高溫超導段和銅電流引線段兩部分組成，其特征在于在銅電流引線段下端與高溫超導段的接頭段設置有環(huán)繞其外壁的液氮室，保持適量液氮對其進行冷卻，并作為熱沉；所汽化的氮蒸汽流經(jīng)銅電流引線的換熱器進行冷卻；設置一個液氮貯槽，通過管道分別向各液氮室不斷補充因汽化消耗的液氮。
所述的液氮/氮蒸汽冷卻高溫超導電流引線的方法，其特征在于環(huán)繞銅電流引線下段的液氮室作為特別有效熱沉，在制冷機故障或停電時保證高溫超導電流引線退出運行過程中始終處于超導態(tài)。
液氮與銅電流引線之間的換熱系數(shù)約2,000-8,000W/m2K，大大高于氦氣與銅電流引線的換熱系數(shù)400W/m2K。在同樣的熱負荷下，被冷卻表面與冷卻劑之間的溫差減小。液氮也起到提高熱沉的效果。室內約1升液氮的蒸發(fā)潛熱為1.6×105J，而77K下銅材比熱為0.197J/gK，1000cm3銅的1K焓差(熱沉)比液氮小90倍。這樣，只要高溫超導段熱端的運行溫度在77K左右，而其失超轉變溫度高于80K，則可利用液氮的熱沉使高溫超導段完全處于安全的工況。16kA電流引線在77K的優(yōu)化熱負荷為390W，如果接頭電阻和銅電流引線下端非換熱器段的電阻合計為240nΩ，合計約450W，1升液氮的汽化潛熱可維持高溫超導段350秒內不升溫，效果非常好。
采用液氮熱沉要求銅電流引線下段保持有適量的液氮，并兩者之間有足夠的換熱面積，要保證銅材與液氮之間的溫差在核沸騰區(qū)內。浸泡在液氮中的銅電流引線下段應具有較大的截面積，以減小其焦耳熱。設置一個足夠大的液氮貯槽，通過連接管分別和各個電流引線外壁的液氮室連接，利用液位差向各個液氮貯罐源源不斷輸送液氮，只需測量控制液氮貯槽內的液位，可省去對每個電流引線的液氮室的液位進行測量和控制。
液氮貯槽與每個電流引線的液氮室之間采用絕緣連接管，避免造成電短路。
本發(fā)明大大提高了高溫超導電流引線運行的安全性。為說明其效果，現(xiàn)將本發(fā)明與氦氣冷高溫超導電流引線在冷卻中斷后升溫過程進行比較高溫超導電流引線按冷卻中斷后的穩(wěn)定性分析通常假設其電流不變，如果不采用液氮汽化潛熱，焦耳熱將使銅電流引線和HTS段的溫端溫度上升。銅電流引線升溫與電流密度Je、材料的電阻率ρ比熱容Cp相關，載電流導體升溫時間t=1Je2∫T0TfCp(T)ρ(T)dT----(1)]]>上式中，T0——冷卻氣流中斷起始溫度，Tf——終了溫度。從式(1)可見，取低的電流密度、電阻率和高的比熱容有利于抑制溫度上升。在16kA銅電流引線設計中，我們選擇銅接頭段相當?shù)偷碾娏髅芏?.42A/mm2，采用RRR值為約30的T2銅材，在76-81K溫區(qū)的平均電阻率ρ～2.43×10-9Ωm，Cp～1.75×106J/(m3K)。根據(jù)式(1)，可得下端從初始76K升溫至81K的時間t＝185秒?？瓷先ゴ松郎貢r間相當長，當由于銅電流引線的傳導熱和接頭電阻存在，此時間將大大縮短。
在無冷氮氣冷卻的條件下，來自銅電流引線每kA的傳導熱大于42W，16kA引線大于670W，而銅電流引線下段和高溫超導段接頭的全部銅材的5K溫差的焓差僅僅為～1×104J，不到15秒內高溫超導段熱端將超過安全運行溫度。此后，高溫超導段逐漸將部分電流向銀—金合金基體分流，由于電流密度大，電阻率又比銅高得多，其升溫速度非常迅速。
由于1升液氮汽化潛熱的熱沉比8.9kg、1K溫升的焓差高90倍，只要電流引線有1升液氮的熱沉，可維持350秒不升溫，由此可看出本發(fā)明明顯的安全效果。


圖1為本發(fā)明方法工作原理結構示意圖。
具體實施例方式
參見附圖。
圖中標號1、高溫超導大電流引線段，2、液氮連通管，3、液氮貯存容器，4、液氮室(熱沉)，5、真空隔離外套，6、冷氣流隔離層，7、螺旋翅片換熱器，8、氮氣引出管，9、電絕緣管，10、流量均衡調節(jié)閥，11、氮氣匯集管。
銅電流引線下端與高溫超導段1連接，其下段(無翅片段)產(chǎn)生的焦耳熱和來自換熱器7的傳導熱使液氮室4內的液氮汽化，由此汽化的冷氮氣B從換熱器冷端的螺旋槽口(在下環(huán)形槽)進入，順著平行的多螺旋槽流向室溫端，沿途與多螺旋翅片換熱，將換熱器中的焦耳熱和來自熱端的傳導熱帶走。此氮氣在換熱器的溫端環(huán)形槽出口C，穿過徑向小孔，最終匯集到彎管8，再經(jīng)流量均衡調節(jié)閥10后進入?yún)R集管11。液氮室中液氮消耗由更大的貯存容器3補充。
EAST超導托卡馬克核聚變實驗裝置需13對16/15kA高溫超導電流引線采用液氮冷卻，其結構如附圖所示。高溫超導電流引線由78K至5K的高溫超導段和300K至78K的銅電流引線段兩部分組成。銅電流引線段的上段是氣冷換熱器段1，銅電流引線的下段浸泡在液氮中，在銅電流引線(含氣冷換熱器)段的下端與高溫超導段的接頭段設置有環(huán)繞其外壁的液氮室，充液氮對電流引線進行冷卻；從液氮室中汽化的氮蒸汽流經(jīng)銅電流引線的換熱器段進行冷卻；設置一個容積～1000升液氮貯槽，利用液位差分別向各液氮室不斷補充因汽化消耗的液氮。
每條電流引線外壁的環(huán)形液氮貯罐最多可貯存2-2.6升液氮作為熱沉。圖中銅電流引線下段長度為282mm，液氮貯罐內徑129mm，每10cm高的容積為0.9升，只要保持液氮液位在一半以上高度，可保證電流引線運行非常安全。
權利要求
1.大幅度增加高溫超導電流引線穩(wěn)定性的液氮/氮蒸汽冷卻方法，電流引線由高溫超導段和銅電流引線段兩部分組成，其特征在于在銅電流引線段下端與高溫超導段的接頭段設置有環(huán)繞其外壁的液氮室，保持適量液氮對其進行冷卻，并作為熱沉；所汽化的氮蒸汽流經(jīng)銅電流引線的換熱器進行冷卻；設置一個液氮貯槽，通過管道分別向各液氮室不斷補充因汽化消耗的液氮。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大幅度增加高溫超導電流引線穩(wěn)定性的液氮/氮蒸汽冷卻方法，其特征在于在銅電流引線段下端與高溫超導段的接頭段設置有環(huán)繞其外壁的液氮室，充液氮至適當高度冷卻高溫超導段溫端；所汽化的氮蒸汽流經(jīng)銅電流引線的換熱器進行冷卻；設置一個較大液氮貯槽，分別向各液氮室不斷地補充因汽化消耗的液氮。我國大型超導托卡馬克核聚變實驗裝置的縱場和極向場線圈需要的16/15kA電流引線已采用本發(fā)明，即使在中斷液氮供給情況下，可維持高溫超導段在350秒內不升溫仍處超導態(tài)，有充足時間讓超導磁體泄能，退出運行。可大幅度提高運行的可靠性，也避免了由于突然停電或制冷機故障引起的對電流引線供冷中斷。
文檔編號H01B12/16GK1674163SQ200510038939
公開日2005年9月28日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權日2005年4月15日
發(fā)明者畢延芳 申請人:中國科學院等離子體物理研究所