專利名稱：銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域中的高溫超導(dǎo)電流引線，具體而言是一種銅電流引線的新型多螺旋翅片換熱器。
背景技術(shù)：
處于4K的低溫超導(dǎo)磁體或～20K的高溫超導(dǎo)磁體都經(jīng)過電流引線與電源連接。高溫超導(dǎo)電流引線比傳統(tǒng)的氣冷常規(guī)電流引線可大幅度節(jié)省致冷量，從而大幅度節(jié)省制冷設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)。
高溫超導(dǎo)電流引線由室溫至中間溫度(50-78K)的銅電流引線和中間溫度至低溫的高溫超導(dǎo)段組成?，F(xiàn)有的氣冷常規(guī)電流引線有多束細(xì)銅絲、多薄銅片、蜂窩管、同軸多管、折流翅片和單螺旋翅片等換熱器型式。前4種換熱器取材容易，換熱效果好，但與兩端的連接都要求真空釬焊，增加了工藝難度；螺旋翅片換熱器雖機(jī)加工較麻煩，換熱面積少一些，但可避免真空釬焊，因此仍較受歡迎。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目是為10kA以上的大型超導(dǎo)磁體電流引線提供制造簡單、使用效果又好的銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器，銅電流引線段為銅管，其特征是在銅管換熱器段上開有平行的二～五頭螺旋槽。
所述的銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器，其特征在于換熱器段上開有平行的三頭螺旋槽。
工作溫區(qū)適合于的電流引線。
本實(shí)用新型主要應(yīng)用于氮蒸汽冷卻的銅電流引線，其冷端用70-78K液氮冷卻，并與高溫超導(dǎo)段連接。傳統(tǒng)的電流引線冷端用液氦冷卻，蒸發(fā)的冷蒸汽冷卻其換熱器，通常稱為氣冷電流引線。單位質(zhì)量液氮的蒸發(fā)潛熱比液氦高約10倍，而氮?dú)獾馁|(zhì)量比熱僅僅是氦氣的1/5。因此，冷氮?dú)獾娘@熱對蒸發(fā)潛熱之比遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷氦氣對液氦之比，而且在同樣溫度和壓力下氮?dú)獾拿芏仍?00K/1bar下為1.123kg/m3，也遠(yuǎn)大于氦氣(300K/1bar下為0.1604kg/m3)。根據(jù)氣冷電流引線優(yōu)化設(shè)計(jì)，自洽冷卻情況下，液氮冷卻電流引線的最低消耗率為0.13g/s/kA，而液氦冷卻時(shí)為0.045g/s/kA?？梢姷?dú)獾捏w積流量只是氦氣的41％，這樣采用流道截面積相對較小的螺旋翅片換熱器是十分合適的。
由于鉍鍶鈣銅氧高溫超導(dǎo)的臨界電流隨冷卻溫度降低而提高，也考慮到其熱導(dǎo)率隨溫度降低而逐步降低。因此，采用對液氮減壓降溫將明顯提高高溫超導(dǎo)電流引線運(yùn)行的溫度裕度和穩(wěn)定性，降低冷端的熱負(fù)荷。這要求冷氮?dú)饬鹘?jīng)螺旋槽的阻力小、壓差小。若采用3頭螺旋槽，它比單頭螺旋槽流阻降低了一個數(shù)量級。因?yàn)椋牧鞯篱L度縮短了約3倍，而每槽的流量減為1/3。根據(jù)紊流壓差的計(jì)算公式Δp=ξLγNwI22Dh...(1)]]>式中ξ-阻力系數(shù)，L-流道長度，γ\-氮?dú)饷芏?，wi-流速，Dh-等效水力直徑。由上式可見，3頭螺旋槽的壓差是單頭的～1/27。而兩者的換熱面積大體相等。
穩(wěn)定性是高溫超導(dǎo)電流引線的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，即一旦冷卻劑供應(yīng)中斷后，容許電流引線繼續(xù)承載電流多長時(shí)間而不損壞。對于氦氣冷卻的情況下增加此時(shí)間參數(shù)的唯一辦法是增加銅電流引線的質(zhì)量或降低電流密度，即加大熱容量。金屬材料的比熱隨溫度下降而減小，如果采用適量的液氮作熱沉，則能有效地增加高溫超導(dǎo)段上端從運(yùn)行溫度上升至失超溫度的時(shí)間。從而非常有效地提高高溫超導(dǎo)電流引線運(yùn)行的安全性和可靠性。
實(shí)用新型的效果單頭螺旋槽換熱器型式是比較常用的低溫超導(dǎo)磁體銅電流引線，在銅棒上車螺旋槽。最初為追求大的換熱面積，采用較深的螺旋槽，但過高的翅片降低了換熱效率，后來普遍采用較淺的螺旋槽，使冷卻氣體流動的雷諾數(shù)進(jìn)入紊流區(qū)，從而達(dá)到高的換熱系數(shù)。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，采用這種結(jié)構(gòu)的7kA和10kA電流引線的每千安的液氦消耗率為0.05g/s，說明其換熱器的效率優(yōu)于95％。
由于高溫超導(dǎo)材料在50K溫度以上其臨界電流對垂直磁場十分敏感，為減小大電流引線的自場，往往將高溫超導(dǎo)段做成直徑充分大的管狀或圓筒狀。與此匹配的螺旋槽銅電流引線采用銅管制造比較合理，這樣既增加換熱面積對導(dǎo)電面積之比，并縮短發(fā)熱體與散熱面的傳熱距離，從而提高換熱效率。


圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。
實(shí)施例參見圖1。
銅電流引線的三頭螺旋翅片換熱器，是用車床在銅管1上加工三條平行的螺旋槽2、3、4而成。
15kA銅電流引線，其螺旋槽深度和寬度為6mm和4mm，三頭螺旋翅片換熱器2的外徑88mm。用一臺抽速60L/s水環(huán)泵與電流引線的氮排氣連接，并使冷卻高溫超導(dǎo)電流引線的液氮減壓降溫至70K，對應(yīng)的液氮絕對壓力為0.39bar。使得在78K液氮冷卻下載流能力為13kA高溫超導(dǎo)電流引線，在71K溫度輕松地通過20kA電流。
權(quán)利要求1.銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器，銅電流引線段為銅管，其特征是在銅管換熱器段上開有平行的二～五頭螺旋槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器，其特征在于換熱器段上開有平行的三頭螺旋槽。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種氣冷銅電流引線的多螺旋翅片換熱器，所述換熱器的基本特征是在一段厚壁銅管上開有平行的二～五頭螺旋槽。本實(shí)用新型適用于運(yùn)行電流10kA以上的大型超導(dǎo)磁體，并采用液氮和氮蒸汽冷卻銅引線段的高溫超導(dǎo)電流引線。它具有加工制造難度低、換熱效率較高和冷卻氣流壓差小等優(yōu)點(diǎn)。已應(yīng)用于大型超導(dǎo)托卡馬克核聚變試驗(yàn)裝置EAST的5對15－16kA高溫超導(dǎo)電流引線，其氣冷銅電流引線段的換熱效率可高達(dá)98％。
文檔編號H01B12/16GK2826635SQ20052007086
公開日2006年10月11日 申請日期2005年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月15日
發(fā)明者畢延芳, 陳行倩, 馬登奎 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所