專利名稱:用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間的連接件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型熱核聚變裝置中超導(dǎo)磁體的供電饋線，屬于低溫超導(dǎo)磁體的饋線技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
熱核聚變將是人類徹底解決能源需求之路，國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆(ITER)計(jì)劃將在未來(lái)十年建成。為其巨型低溫超導(dǎo)磁體饋電的電流引線是最主要的熱負(fù)荷來(lái)源。采用HTS 電流引線可使其致冷電耗節(jié)省2/3。2002和03年日、德先后為ITER磁體研發(fā)成功60kA和 70kA HTS電流引線。日原子能所采用由48個(gè)HTS超導(dǎo)疊和不銹鋼支撐筒組成的HTS組件與上千股銅線組成的阻性換熱器直接連接；歐洲核研究中心(CERN)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC) 配備1100多支HTS電流引線，其中13kA電流引線的過(guò)渡段長(zhǎng)度210mm。因此，當(dāng)IOK冷卻氦流提供換熱器時(shí)，HTS溫端溫度為40K，二者溫差高達(dá)30K。這兩種設(shè)計(jì)都存在一段無(wú)氣冷的過(guò)渡段，因此，當(dāng)電流通過(guò)這連接件所產(chǎn)生的焦耳熱必然傳遞給阻性換熱器，然后被冷卻氣體帶走。這種結(jié)構(gòu)使HTS溫端溫度比冷卻氣體的入口溫度高20K和30K。顯然，如此大的溫差將導(dǎo)致致冷成本大幅度增加。
德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心技術(shù)物理研究所的70kA HTS電流引線則采用12個(gè)HTS 組件的溫端與釬焊有數(shù)百翅片的阻性換熱器的冷端螺紋連接，并加150°C熔點(diǎn)焊料減小接頭電阻。由于此連接件的長(zhǎng)度僅僅50mm，因此在50K氦氣進(jìn)口溫度情況下HTS溫端溫度可達(dá)到65K，但流量比優(yōu)化值高約10%。
HTS大電流引線的高溫超導(dǎo)段現(xiàn)都采用傳導(dǎo)冷卻，從HTS溫端至引線室溫端做成氣冷的阻性銅換熱器。HTS段的冷端通常用4. 5K超臨界氦冷卻，而HTS的臨界電流與溫度密切相關(guān)，5K下的臨界電流是77K下的數(shù)倍。因此HTS組件的載流能力實(shí)際上取決于溫端溫度，降低此溫度可提高載流能力或節(jié)省昂貴的HTS用量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間高換熱效率的連接件，在同樣的冷卻氣體入口溫度條件下，盡量降低HTS組件溫端的運(yùn)行溫度， 比如降低溫差由15K降至IOK水平?？色@得下列好處1)提高HTS的載流能力，因?yàn)镠TS的臨界電流隨著溫度降低而提高，如美國(guó)超導(dǎo)公司生產(chǎn)的Bi-222 3超導(dǎo)帶，其64K的臨界電流比77K時(shí)高約一倍；因此可提高HTS件的運(yùn)行溫度裕度或減少HTS用量。2)對(duì)于安全性要求特高的巨型超導(dǎo)磁體，如失冷后要求磁體在數(shù)分鐘內(nèi)慢退電流的，則不容許HTS段在此時(shí)間內(nèi)進(jìn)入失超轉(zhuǎn)變，為此不得不采取相當(dāng)大的溫度裕度。3)節(jié)省冷卻氣流流量，減少電流引線的致冷功耗。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
—種用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間高換熱效率的連接件，其特征在于包括有棒狀銅芯體，所述的芯體兩端分別有沉孔，芯體左端的沉孔中接封蓋板，芯體中央有工藝通孔，所述的通孔周圍有線切割形成的放射狀翅片，裝配時(shí)所述的通孔堵塞，翅片之間狹縫構(gòu)成流道，所述的蓋板與翅片間有間隙，所述的翅片外側(cè)的芯體中有冷卻氣流通道，所述的冷卻氣流通道一端在芯體側(cè)壁上開(kāi)口，冷卻氣流通道另一端與通向左端的沉孔；芯體左端與高溫超導(dǎo)組件的不銹鋼分流器圓筒高溫真空釬焊聯(lián)接，右端與阻性換熱器電子束焊接或低溫真空釬焊聯(lián)接。
本發(fā)明提出了內(nèi)翅片冷卻的設(shè)計(jì)概念，連接段采用實(shí)心銅棒的芯部線切割散熱翅片。為降低電流引線的自場(chǎng)，HTS疊通常分布在支撐筒的表明構(gòu)成組件，其溫端連接件內(nèi)電流場(chǎng)的靠近外圓柱面的電流密度較大，而芯部較低。本發(fā)明的翅片間的縱向輻射狀窄縫的特點(diǎn)1)窄縫的等效流體直徑小，換熱系數(shù)高，對(duì)于雷諾數(shù)低于2000流體可按層流計(jì)算其換熱系數(shù)，h = 38Xk/de，式中k是冷卻氣體的傳熱系數(shù)(與溫度相關(guān))，de是等效流體直徑，盡量減小《，有利于h值提高；2)便于在線切割機(jī)上加工。
為了進(jìn)一步增加換熱面積，此連接段還可以向HTS支撐筒內(nèi)部延伸。此延伸段基本不參與導(dǎo)電，但有2個(gè)重要功能1)增加換熱面積，減小HTS溫端與冷卻氣體的溫差；2) 增加熱沉，一旦出現(xiàn)失冷故障時(shí)這部分冷質(zhì)量可延緩HTS溫端升溫速率，拉長(zhǎng)到達(dá)失超轉(zhuǎn)變溫度的時(shí)間，提高HTS電流引線的安全性。需注意此延伸進(jìn)入分流器圓筒內(nèi)的連接件不能與分流器有直接接觸，這部分不參與導(dǎo)電；而對(duì)增加換熱面積和熱沉有貢獻(xiàn)。
連接件的冷端與不銹鋼分流器圓筒之間、與換熱器外套(不銹鋼)氬弧焊的不銹鋼環(huán)之間、端蓋與棒狀銅芯體都采用真空釬焊，后兩道焊縫必須真空氣密。HTS疊與連接件之間采用真空錫焊，焊錫熔點(diǎn)183°C。連接件與換熱器之間采用電子束焊接，以減小接頭電阻。
HTS組件溫端的熱源有HTS疊與連接段的接頭電阻和連接段本身電阻產(chǎn)生的焦耳熱；當(dāng)連接段有良好氣冷條件下，還有來(lái)自阻性換熱器的傳導(dǎo)熱。反之，如果此連接段實(shí)芯無(wú)氣冷，則連接段的溫度高于換熱器，必須通過(guò)傳熱將焦耳熱交給阻性換熱器冷段的散發(fā)到冷卻氣流中。當(dāng)阻性換熱器冷段換熱效率低下時(shí)，HTS溫端溫度自然會(huì)升高。
采用高溫超導(dǎo)(HTS)電流引線可節(jié)省常規(guī)電流引線致冷能耗的2/3，原常規(guī)電流引線的熱負(fù)荷又占聚變裝置總熱負(fù)荷的60%，故經(jīng)濟(jì)效益明顯。采用HTS電流引線已經(jīng)成為從事超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)者的共識(shí)，而HTS段與阻性銅換熱器之間連接件的高換熱效率對(duì)于降低HTS溫端的溫度、減少冷卻劑流量和提高電流引線運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要作用。
本發(fā)明已應(yīng)用于ITER裝置需要的52kA高溫超導(dǎo)電流引線試驗(yàn)件，在低溫試驗(yàn)中已表現(xiàn)出HTS溫端與冷卻氦流之間溫差5 IlK的效果，對(duì)于改善運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的十分有利。
在ITER的IOkA高溫超導(dǎo)電流引線的連接件設(shè)計(jì)中將此發(fā)明又作了進(jìn)一步發(fā)揮 將此連接件芯體延伸至HTS段分流器圓筒內(nèi)部，進(jìn)一步增加換熱面積，增加連接件的熱沉， 有利于進(jìn)一步降低HTS溫端與冷卻氦流之間的溫差，從而進(jìn)一步提高電流引線的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。


圖1為是美國(guó)超導(dǎo)公司提供的用于HTS電流引線的Bi-2223/Ag-5. 3wt. % Au超導(dǎo)帶臨界電流在4檔溫度(77、70、64和50K)下與垂直于帶面磁場(chǎng)分量關(guān)系曲線。[0016]圖2為本發(fā)明棒狀銅芯體剖視結(jié)構(gòu)圖和截面視圖。其中，(a)、棒狀銅芯體剖視圖； (b)、是(a)圖的C-C向剖視圖。
圖3為本發(fā)明與高溫超導(dǎo)組件的不銹鋼分流器圓筒、阻性換熱器相聯(lián)接結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
圖1是美國(guó)超導(dǎo)公司提供的用于HTS電流引線的Bi-2223/Ag-5.3wt. %Au超導(dǎo)帶臨界電流在4檔溫度(77、70、64和50K)下與垂直于帶面磁場(chǎng)分量關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，銀金基鉍系高溫超導(dǎo)帶在自場(chǎng)下臨界電流對(duì)垂直場(chǎng)十分敏感，對(duì)于一對(duì)特大電流引線的最高自場(chǎng)往往可達(dá)0. IT以上。如果HTS運(yùn)行在77K溫度，則臨界電流低于零場(chǎng)下的20% ；如果溫度降至64K，則臨界電流可提高3倍；如果再進(jìn)一步降低，則效果更佳。
圖2和3是一種用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間高換熱效率的連接件，包括有棒狀銅芯體1，所述的芯體1兩端分別有沉孔2、3，芯體左端的沉孔2中封裝有焊接的蓋板4，芯體1中央有通孔，所述的通孔用不銹鋼桿堵塞，所述的通孔周圍有線切割形成的放射狀翅片5，翅片5之間狹縫構(gòu)成流道，蓋板4與翅片5端部之間有間隙，所述的翅片 5外側(cè)的芯體中有冷卻氣流通道6，所述的冷卻氣流通道6 —端在芯體1側(cè)壁上開(kāi)口，冷卻氣流通道6另一端與通向左端的沉孔2 ；芯體1左端與高溫超導(dǎo)組件的不銹鋼分流器圓筒7 相聯(lián)接，右端與阻性換熱器8相聯(lián)接。
換熱翅片中心有IOmm通孔，是線切割所必須有的；裝配時(shí)用不銹鋼桿堵塞，以阻
止氦流走此通道。
過(guò)低的HTS溫端溫差也無(wú)必要，據(jù)數(shù)字仿真，當(dāng)此溫差低于IOK情況下，將要求冷卻氣流的流量增加，從而導(dǎo)致制冷成本明顯提高。
本發(fā)明已用于52kA電流引線設(shè)計(jì)，并獲得了很好的試驗(yàn)結(jié)果。據(jù)理論計(jì)算，HTS溫端接頭電阻和連接段的焦耳熱為39W，來(lái)自阻性換熱器的傳導(dǎo)熱為307W，50K/3bar氦流的導(dǎo)熱系數(shù)k = 0. 055ff/K-m2,當(dāng)氦流縫隙為0. 18mm時(shí)其等效流體直徑為0. 357mm,故換熱系數(shù)h = 586W/Km2，48條外徑66_、內(nèi)徑IOmm輻射狀窄縫的濕周界Pw = 3. 12m,hPw= 1860W/ K-m,當(dāng)翅片長(zhǎng)度0. Im時(shí)，換熱面積為0. 312m2，即理論可達(dá)到的平均溫差1. 7K。
以ITER裝置的52kA電流引線為例，50K冷卻氦流從通徑IOmm通道進(jìn)入連接件， 在端蓋處轉(zhuǎn)向分散至各翅片間的狹縫。由于狹縫寬度0. 18mm，使氦流與翅片之間的換熱很好。當(dāng)此電流引線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行在52kA時(shí)，HTS組件溫端與氦流入口的溫差在IlK水平；但運(yùn)行電流為57kA，氦流流量增加至3. 5g/s時(shí)，此溫差減小至5 6K。與此可對(duì)比的是另一支 68kA電流引線，連接件無(wú)直接氣冷，當(dāng)電流引線運(yùn)行在68kA額定值時(shí)，其HTS組件溫端與氦流入口溫差大于20K。為了降低HTS組件溫端溫度，使它接近65K的設(shè)計(jì)值，不得不加大流量，這導(dǎo)致?lián)Q熱器過(guò)冷。經(jīng)比較，這連接段有無(wú)良好的氣冷，會(huì)導(dǎo)致HTS溫端運(yùn)行溫度的差異IOK多。IOK的溫度下降，能使HTS的臨界電流提高50% ；使失冷后失超發(fā)生推遲1 2 分鐘，大大改善HTS電流引線運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。
權(quán)利要求
1. 一種用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間高換熱效率的連接件，其特征在于包括有棒狀銅芯體，所述的芯體兩端分別有沉孔，芯體左端的沉孔中接封蓋板，芯體中央有工藝通孔，所述的通孔周圍有線切割形成的放射狀翅片，裝配時(shí)所述的通孔堵塞，翅片之間狹縫構(gòu)成流道，所述的蓋板與翅片間有間隙，所述的翅片外側(cè)的芯體中有冷卻氣流通道，所述的冷卻氣流通道一端在芯體側(cè)壁上開(kāi)口，冷卻氣流通道另一端通向左端的沉孔； 芯體左端與高溫超導(dǎo)段的不銹鋼分流器圓筒高溫真空釬焊聯(lián)接，右端與阻性換熱器電子束焊接或低溫真空釬焊聯(lián)接。
專利摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于大電流引線高溫超導(dǎo)段與阻性換熱器之間高換熱效率的連接件，包括有棒狀銅芯體，芯體中央有通孔，所述的通孔堵塞，所述的通孔周圍有線切割形成的放射狀翅片，翅片之間構(gòu)成流道，翅片外側(cè)的芯體中有冷卻氣流通道，所述的冷卻氣流通道一端在芯體側(cè)壁上開(kāi)口，冷卻氣流通道另一端與通向左端的沉孔；芯體左端與高溫超導(dǎo)組件的不銹鋼分流器圓筒相聯(lián)接，右端與阻性換熱器相聯(lián)接。低溫試驗(yàn)證明，所公開(kāi)的連接件使HTS溫端溫度與冷卻氣流的溫差降低至10K水平，大幅度提高HTS電流引線的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性，達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。
文檔編號(hào)G21B1/21GKCN101740887 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200910184970
公開(kāi)日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2009年10月23日
發(fā)明者周挺志, 畢延芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan