專利名稱：一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫與超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。特別是一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線結(jié)構(gòu)及方法。
背景技術(shù)：
電流引線是許多低溫超導(dǎo)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。它負(fù)責(zé)連接室溫端的電源與低溫端的超導(dǎo)器件，保證超導(dǎo)器件的正常供電。因其兩端存在的巨大溫差和通電時(shí)產(chǎn)生的大量焦耳熱，有大量熱量通過電流引線帶入低溫環(huán)境。因此，在很多的超導(dǎo)系統(tǒng)中，電流引線漏熱都是低溫環(huán)境最重要的熱源之一。為了減少電流引線對(duì)低溫的漏熱，通常是將引線自身向低溫漏熱蒸發(fā)的氦氣流經(jīng)引線，通過這些冷卻氣體來帶走引線產(chǎn)生的焦耳熱及外界向引線的漏熱。國際上許多學(xué)者都在氣冷電流引線方面作了很多理論及實(shí)驗(yàn)研究，形成了一套氣冷電流引線設(shè)計(jì)理論。主要內(nèi)容如下1.電流引線的橫截面積與長度兩者之間存在最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.在最優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，電流引線對(duì)低溫環(huán)境的漏熱最小，且此最小漏熱量為1.04W/kA(假定冷卻氣流與引線充分換熱，且材料物性滿足Wiedemann-Franz公式)這些理論指導(dǎo)了國際上大部分電流引線的設(shè)計(jì)與制造。但是很多按最優(yōu)化理論設(shè)計(jì)的電流引線，實(shí)際運(yùn)行時(shí)并不能達(dá)到預(yù)想的運(yùn)行參數(shù)，一般有如下兩種原因1.最優(yōu)化理論中假設(shè)冷卻氣流與引線充分換熱(換熱效率η＝1)，實(shí)際中引線換熱效率η＜1。
2.實(shí)際運(yùn)行的電流引線，，由于引線實(shí)際制作過程中的差異或超導(dǎo)裝置本身的一些問題，正負(fù)兩個(gè)引線之間或者同一引線的不同流道之間都存在著冷卻氣流分配上的不均衡，由此造成溫度場的不均衡。超導(dǎo)裝置中除電流引線外的其他低溫?zé)嵩匆部赡苁沽鹘?jīng)引線的冷卻氣流處于非正常狀態(tài)。所有這些都會(huì)使電流引線的實(shí)際工作狀況偏離最優(yōu)化設(shè)計(jì)。
第一種原因通常為大家熟知并重視，在電流引線的設(shè)計(jì)中盡量提高冷卻氣體的換熱效率，以盡可能的降低引線對(duì)低溫環(huán)境的漏熱量。但第二種原因卻被很多設(shè)計(jì)者忽略。但理論模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，正負(fù)引線間的氣流不對(duì)稱分配及同一引線不同流道間的氣流不均勻分配都會(huì)極大的影響電流引線的正常運(yùn)行，使正負(fù)引線間的溫度場分布不對(duì)稱或同一引線的不同流道間的溫度場不均衡，由此使引線的運(yùn)行狀態(tài)偏離最優(yōu)化點(diǎn)，增加引線的漏熱量，同時(shí)提高了引線運(yùn)行的不穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
新引線因?yàn)椴捎昧苏?fù)一體螺旋形截面結(jié)構(gòu)，使正負(fù)引線的溫度場兩者之間具有均衡性及變化的同步性；可以有效的控制正負(fù)引線間不對(duì)稱現(xiàn)象的發(fā)生，使引線的工作狀態(tài)點(diǎn)趨向于最優(yōu)化點(diǎn)。同時(shí)增加了引線工作的穩(wěn)定性。
新引線具有以下優(yōu)點(diǎn)1.由于新引線的正負(fù)兩極的溫度場能保持較好的對(duì)稱性及同步性，因此能有效的控制引線工作于最優(yōu)化點(diǎn)，增加引線工作的穩(wěn)定性。
2.由于此引線具有很大的氣流與銅片換熱面積，且氣流流道為微流道(流道厚度～0.3-0.7mm)，因此引線的換熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大部分其他類型的電流引線。且由于氣流流通截面積較大，氣流壓降相對(duì)不高。
3.結(jié)構(gòu)緊湊，體積與其他引線相比減小很多。
本發(fā)明主要用于室溫電源與低溫狀態(tài)下的超導(dǎo)器件的連接。包括室溫至液氦溫度區(qū)域及室溫至液氮溫度區(qū)域。
一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，引線主體(7)由螺旋形正負(fù)銅卷(12)，電氣絕緣筒(13)，電氣絕緣棒(14)，氣流流道&電氣絕緣層(15)組成，電氣絕緣棒(14)位于中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面，正負(fù)銅卷(12)及氣流流道&電氣絕緣層(15)以電氣絕緣棒(14)為中心螺旋形繞制而成，外圍用電氣絕緣筒包裹。
正負(fù)銅卷(12)層間結(jié)構(gòu)正銅卷(12-1)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，負(fù)銅卷(12-2)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，四層依序排列。
氣流流道&電氣絕緣層(15)可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成，狹長條在絕緣片上下面的位置可以相同或錯(cuò)開。
引線中使用的電氣絕緣材料可以選用環(huán)氧玻璃纖維材料。
引線整體結(jié)構(gòu)由冷卻氣體出口(1)，正極上端集流排(2)，絕緣層(3)，負(fù)極上端集流排(4)，正極上端環(huán)(5)，負(fù)極上端環(huán)(6)，引線主體(7)，負(fù)極下端環(huán)(8)，絕緣層(9)，正極下端環(huán)(10)，冷卻氣體入口(11)組成，正極上端集流排(2)位于正極上端環(huán)(5)上部，負(fù)極上端集流排(4)位于負(fù)極上端環(huán)(6)上部，正極部件(2)(5)與負(fù)極部件(4)(6)之間為絕緣層(3)，部件(1-6)構(gòu)成引線出口部，絕緣層(9)處于負(fù)極下端環(huán)(8)與正極下端環(huán)(10)之間，部件(8-10)構(gòu)成引線入口部。


圖1是正負(fù)一體螺旋形截面電流引線整體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是引線主體部分橫截面示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1，一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線整體結(jié)構(gòu)。其中1-冷卻氣體出口，2-正極上端集流排，3-絕緣層，4-負(fù)極上端集流排，5-正極上端環(huán)，6-負(fù)極上端環(huán)，7-引線主體，8-負(fù)極下端環(huán)，9-絕緣層，10-正極下端環(huán)，11-冷卻氣體入口。
圖2引線主體部分橫截面示意圖。其中12-正負(fù)銅卷，13-電氣絕緣筒，14-電氣絕緣棒，15-氣流流道&電氣絕緣層。引線主體(7)由正負(fù)銅卷(12)，電氣絕緣筒(13)，電氣絕緣棒(14)，氣流流道&電氣絕緣層(15)組成，電氣絕緣棒(14)位于中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面。正負(fù)銅卷(12)及氣流流道&電氣絕緣層(15)以電氣絕緣棒(14)為中心螺旋形繞制而成。
引線主體由正負(fù)銅卷，氣流流道&電氣絕緣層，位于中間位置的電氣絕緣棒及外面的電氣絕緣筒組成。正負(fù)銅卷承載正負(fù)極的電流。氣流流道&電氣絕緣層的作用有三個(gè)1.作為正負(fù)銅卷間的電氣絕緣層；2.提供冷卻氣流流道；3.作為正負(fù)銅卷間的連接層，可以使正負(fù)兩銅卷的溫度場具有對(duì)稱性及溫度場變化具有同步性。電氣絕緣棒作用有兩個(gè)1.填充螺旋形銅卷的中間較大空間，以免冷卻氣流從此流過，降低引線的換熱效率；2.引線制作時(shí)，可將正負(fù)銅片一端先固定于電氣絕緣棒上，便于操作。外部電氣絕緣筒約束冷卻氣流，防止氣流從引線中間部分進(jìn)出。
正負(fù)銅卷層間結(jié)構(gòu)為正銅卷(12-1)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，負(fù)銅卷(12-2)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，四層依序排列。
氣流流道&電氣絕緣層(15)可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成。狹長條在絕緣片上下面的位置可以相同或錯(cuò)開，其中15-1-氣流流道，15-2-電氣絕緣層。
引線中使用的電氣絕緣材料可以選用環(huán)氧玻璃纖維材料。
一種正負(fù)一體的螺旋形截面電流引線制作步驟如下方法一(適用于焊接溫度低于電絕緣材料熔點(diǎn)情況，如錫焊等)1)正負(fù)兩銅片的準(zhǔn)備；一定規(guī)格，尺寸，正極稍長。
2)兩張氣流流道&電氣絕緣片的準(zhǔn)備；可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成。
3)正負(fù)兩銅片的一端固定于電氣絕緣棒上(固定位置分別為0度，180度處)；4)兩張氣流流道&電氣絕緣片的一端固定于電氣絕緣棒上(固定位置分別為90度，270度處)；5)將兩銅片及兩絕緣片均勻繞電氣絕緣棒卷起，直至末端；6)正負(fù)極上下端環(huán)準(zhǔn)備；在一定厚度(10～20mm)的銅圓柱上刻螺旋形狹縫。可采用線切割等技術(shù)。
7)將正負(fù)極上下端環(huán)與卷好的銅片組裝，焊接；8)在負(fù)極上端集流排內(nèi)側(cè)及正負(fù)上端環(huán)之間加入電絕緣材料；9)將正負(fù)上端環(huán)與集流排焊接；10)將正負(fù)銅卷用電氣絕緣板包裹，電氣絕緣板的外邊緣與上下兩端用低溫膠帶及低溫膠粘接密封。
方法二(適用于焊接溫度高于電絕緣材料熔點(diǎn)情況，如銀焊等)1)正負(fù)兩銅片的準(zhǔn)備；一定規(guī)格，尺寸，正極稍長。
2)兩張氣流流道&電氣絕緣片的準(zhǔn)備；可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成。
3)正負(fù)兩銅片的一端固定于電氣絕緣棒上(固定位置分別為0度，180度處)；4)在正負(fù)兩銅片間夾兩銅片(不與電氣絕緣棒固定)，銅片長度稍長于正負(fù)銅片，厚度稍厚于氣流流道&電氣絕緣片；5)將四銅片均勻繞電氣絕緣棒卷起，直至末端；6)正負(fù)極上下端環(huán)準(zhǔn)備，在一定厚度(10～20mm)的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；可采用線切割等技術(shù)。
7)將正負(fù)銅片間的兩銅片抽出，將正負(fù)極上下端環(huán)與卷好的銅片組裝，焊接；8)將正負(fù)上端環(huán)與集流排焊接；9)在正負(fù)上端集流排縫隙處注入低溫膠作為電絕緣材料；10)將兩張氣流流道&電氣絕緣片從下端插入正負(fù)銅卷間并固定(可以涂少量低溫膠后插入)。
新引線優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)1.由于新引線的正負(fù)兩極的溫度場能保持較好的對(duì)稱性及同步性，因此能有效的控制引線工作于最優(yōu)化點(diǎn)，增加引線工作的穩(wěn)定性。
2.由于此引線具有很大的氣流與銅片換熱面積，且氣流流道為微流道(流道厚度～0.3-0.7mm)，因此引線的換熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大部分其他類型的電流引線。且由于氣流流通截面積較大，氣流壓降相對(duì)不高。
3.結(jié)構(gòu)緊湊，體積與其他引線相比減小很多。
缺點(diǎn)1.由于引線中有電絕緣材料，因此引線不能工作于高溫狀態(tài)。引線能承受最高溫度＜200℃。
2.制作過程較復(fù)雜。
權(quán)利要求
1.一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，引線主體(7)由螺旋形正負(fù)銅卷(12)，電氣絕緣筒(13)，電氣絕緣棒(14)，氣流流道&電氣絕緣層(15)組成，電氣絕緣棒(14)位于中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面，正負(fù)銅卷(12)及氣流流道&電氣絕緣層(15)以電氣絕緣棒(14)為中心螺旋形繞制而成，外圍用電氣絕緣筒包裹。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，正負(fù)銅卷(12)層間結(jié)構(gòu)正銅卷(12-1)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，負(fù)銅卷(12-2)，氣流流道&電氣絕緣層(15)，四層依序排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，氣流流道&電氣絕緣層(15)可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成，狹長條在絕緣片上下面的位置可以相同或錯(cuò)開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3的螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，引線中使用的電氣絕緣材料可以選用環(huán)氧玻璃纖維材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，引線整體結(jié)構(gòu)由冷卻氣體出口(1)，正極上端集流排(2)，絕緣層(3)，負(fù)極上端集流排(4)，正極上端環(huán)(5)，負(fù)極上端環(huán)(6)，引線主體(7)，負(fù)極下端環(huán)(8)，絕緣層(9)，正極下端環(huán)(10)，冷卻氣體入口(11)組成，正極上端集流排(2)位于正極上端環(huán)(5)上部，負(fù)極上端集流排(4)位于負(fù)極上端環(huán)(6)上部，正極部件(2)(5)與負(fù)極部件(4)(6)之間為絕緣層(3)，部件(1-6)構(gòu)成引線出口部，絕緣層(9)處于負(fù)極下端環(huán)(8)與正極下端環(huán)(10)之間，部件(8-10)構(gòu)成引線入口部。
6.一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線制作方法，方法一，適用于焊接溫度低于電絕緣材料熔點(diǎn)情況1)正負(fù)兩銅片的準(zhǔn)備；2)兩張氣流流道&電氣絕緣片的準(zhǔn)備；3)正負(fù)兩銅片的一端固定于電氣絕緣棒上；4)兩張氣流流道&電氣絕緣片的一端固定于電氣絕緣棒上；5)將兩銅片及兩絕緣片均勻繞電氣絕緣棒卷起，直至末端；6)正負(fù)極上下端環(huán)準(zhǔn)備在一定厚度的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；7)將正負(fù)極上下端環(huán)與卷好的銅片組裝，焊接；8)在負(fù)極上端集流排內(nèi)側(cè)及正負(fù)上端環(huán)之間加入電絕緣材料；9)將正負(fù)上端環(huán)與集流排焊接；10)將正負(fù)銅卷用電氣絕緣板包裹，電氣絕緣板的外邊緣與上下兩端用低溫膠帶及低溫膠粘接密封。
7.一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線制作方法，方法二，適用于焊接溫度高于電絕緣材料熔點(diǎn)情況1)正負(fù)兩銅片的準(zhǔn)備；2)兩張氣流流道&電氣絕緣片的準(zhǔn)備；3)正負(fù)兩銅片的一端固定于電氣絕緣棒上；4)在正負(fù)兩銅片間夾兩銅片，銅片長度稍長于正負(fù)銅片，厚度稍厚于氣流流道&電氣絕緣片；5)將四銅片均勻繞電氣絕緣棒卷起，直至末端；6)正負(fù)極上下端環(huán)準(zhǔn)備，在一定厚度的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；7)將正負(fù)銅片間的兩銅片抽出，將正負(fù)極上下端環(huán)與卷好的銅片組裝，焊接；8)將正負(fù)上端環(huán)與集流排焊接；9)在正負(fù)上端集流排縫隙處注入低溫膠作為電絕緣材料；10)將兩張氣流流道&電氣絕緣片從下端插入正負(fù)銅卷間并固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及低溫與超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。一種螺旋形截面的正負(fù)一體電流引線結(jié)構(gòu)及方法。引線主體由螺旋形正負(fù)銅卷，兩氣流流道&電氣絕緣層，中心的電氣絕緣棒及最外邊的電氣絕緣筒構(gòu)成。方法正負(fù)兩銅片；兩張氣流流道&電氣絕緣片；正負(fù)兩銅片的一端固定于電氣絕緣棒上；將兩銅片及兩絕緣片均勻繞電氣絕緣棒卷起；在厚度10～20mm的銅圓柱上刻螺旋形狹縫，作為引線的上下端環(huán)；將正負(fù)極上下端環(huán)與卷好的銅片組裝；在負(fù)極上端集流排內(nèi)側(cè)及正負(fù)上端環(huán)之間加入電絕緣材料；將正負(fù)上端環(huán)與集流排焊接；將正負(fù)銅卷用電氣絕緣板包裹，電氣絕緣板的外邊緣與上下兩端用低溫膠帶及低溫膠粘接密封。主要用于室溫電源與低溫狀態(tài)下的超導(dǎo)器件的連接。
文檔編號(hào)H01B1/00GK1913189SQ200510090178
公開日2007年2月14日 申請(qǐng)日期2005年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月11日
發(fā)明者朱自安, 徐慶金, 易昌煉, 楊歡, 劉立強(qiáng), 周謹(jǐn), 黃世科, 張亮 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院高能物理研究所, 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所