銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器的製作方法
2023-10-05 11:51:54 1
專利名稱：銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於高溫超導強電應用技術領域中的高溫超導電流引線，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：
處於4K的低溫超導磁體或～20K的高溫超導磁體都經過電流引線與電源連接。高溫超導電流引線比傳統的氣冷常規電流引線可大幅度節省致冷量，從而大幅度節省製冷設備投資和運行費。
高溫超導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段組成。現有的氣冷常規電流引線有多束細銅絲、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釺焊，增加了工藝難度；螺旋翅片換熱器雖機加工較麻煩，換熱面積少一些，但可避免真空釺焊，因此仍較受歡迎。
實用新型內容本實用新型的目是為10kA以上的大型超導磁體電流引線提供製造簡單、使用效果又好的銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器。
本實用新型的技術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，其特徵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，其特徵在於換熱器段上開有平行的三頭螺旋槽。
工作溫區適合於的電流引線。
本實用新型主要應用於氮蒸汽冷卻的銅電流引線，其冷端用70-78K液氮冷卻，並與高溫超導段連接。傳統的電流引線冷端用液氦冷卻，蒸發的冷蒸汽冷卻其換熱器，通常稱為氣冷電流引線。單位質量液氮的蒸發潛熱比液氦高約10倍，而氮氣的質量比熱僅僅是氦氣的1/5。因此，冷氮氣的顯熱對蒸發潛熱之比遠遠低於冷氦氣對液氦之比，而且在同樣溫度和壓力下氮氣的密度在300K/1bar下為1.123kg/m3，也遠大於氦氣(300K/1bar下為0.1604kg/m3)。根據氣冷電流引線優化設計，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，而液氦冷卻時為0.045g/s/kA。可見氮氣的體積流量只是氦氣的41％，這樣採用流道截面積相對較小的螺旋翅片換熱器是十分合適的。
由於鉍鍶鈣銅氧高溫超導的臨界電流隨冷卻溫度降低而提高，也考慮到其熱導率隨溫度降低而逐步降低。因此，採用對液氮減壓降溫將明顯提高高溫超導電流引線運行的溫度裕度和穩定性，降低冷端的熱負荷。這要求冷氮氣流經螺旋槽的阻力小、壓差小。若採用3頭螺旋槽，它比單頭螺旋槽流阻降低了一個數量級。因為，它的流道長度縮短了約3倍，而每槽的流量減為1/3。根據紊流壓差的計算公式p=LNwI22Dh...(1)]]>式中ξ-阻力係數，L-流道長度，γ\-氮氣密度，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。
穩定性是高溫超導電流引線的關鍵技術指標之一，即一旦冷卻劑供應中斷後，容許電流引線繼續承載電流多長時間而不損壞。對於氦氣冷卻的情況下增加此時間參數的唯一辦法是增加銅電流引線的質量或降低電流密度，即加大熱容量。金屬材料的比熱隨溫度下降而減小，如果採用適量的液氮作熱沉，則能有效地增加高溫超導段上端從運行溫度上升至失超溫度的時間。從而非常有效地提高高溫超導電流引線運行的安全性和可靠性。
實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，採用較深的螺旋槽，但過高的翅片降低了換熱效率，後來普遍採用較淺的螺旋槽，使冷卻氣體流動的雷諾數進入紊流區，從而達到高的換熱係數。據相關文獻報導，採用這種結構的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於95％。
由於高溫超導材料在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採用銅管制造比較合理，這樣既增加換熱面積對導電面積之比，並縮短發熱體與散熱面的傳熱距離，從而提高換熱效率。
圖1為本實用新型結構示意圖。
實施例參見圖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水環泵與電流引線的氮排氣連接，並使冷卻高溫超導電流引線的液氮減壓降溫至70K，對應的液氮絕對壓力為0.39bar。使得在78K液氮冷卻下載流能力為13kA高溫超導電流引線，在71K溫度輕鬆地通過20kA電流。
權利要求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，其特徵是在銅管換熱器段上開有平行的二～五頭螺旋槽。
2.根據權利要求1所述的銅電流引線段的多螺旋翅片換熱器，其特徵在於換熱器段上開有平行的三頭螺旋槽。
專利摘要本實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徵是在一段厚壁銅管上開有平行的二～五頭螺旋槽。本實用新型適用於運行電流10kA以上的大型超導磁體，並採用液氮和氮蒸汽冷卻銅引線段的高溫超導電流引線。它具有加工製造難度低、換熱效率較高和冷卻氣流壓差小等優點。已應用於大型超導託卡馬克核聚變試驗裝置EAST的5對15－16kA高溫超導電流引線，其氣冷銅電流引線段的換熱效率可高達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 優先權日2005年4月15日
發明者畢延芳, 陳行倩, 馬登奎 申請人:中國科學院等離子體物理研究所