高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭的製作方法

2023-10-26 16:43:12 3

專利名稱：高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭的製作方法
技術領域：
本發明屬於大型超導磁體的高溫超導電流引線饋電技術。具體是一種高溫超導大電流引線冷端與低溫超導傳輸線端頭之間的低電阻接頭技術。
背景技術：
20世紀60年代工程超導材料的發展為超導技術大規模地應用於高能加速器、核聚變實驗裝置和高場磁體等成為可能。與常規磁體相比，超導磁體電源成本和運行費大大減少，取而代之的是維持超導磁體運行條件的低溫系統設備成本和運行費。4K低溫致冷技術的難度阻礙了低溫超導技術的推廣應用，低溫設備成本和運行費用高低與系統的熱負荷相關，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，佔總量的50-85％。80年代後期高溫超導材料的研發成功，很快有人想到應用於電流引線，利用其低熱導率和零電阻特性使電流引線熱負荷下降一個數量級。用於小型超導磁體的高溫超導電流引線已可買到商用的產品。但電流大於10kA大型磁體的高溫超導電流引線仍處於研發階段，尚沒有商用化。在4K溫度，每一瓦的熱負荷需要250-700倍的電力消耗來製冷。因為接頭的焦耳熱等於電流平方與接頭電阻的乘積，為降低4K溫區的熱負荷，如何降低大電流引線高溫超導段的冷端接頭電阻成為技術關鍵之一。
過去幾年國外研發的高溫超導大電流引線根據其應用目的有各種不同的冷端接頭設計。如歐洲核研究中心(CERN)的強粒子超導加速器(LHC)的13kA電流引線用於Rutherford超導電纜繞制的2極磁體，其高溫超導段冷端與72條NbTi/Cu超導線釺焊，然後這超導線束與Rutherford電纜組成的超導傳輸線釺焊，採用銅管並焊，迫流內冷。日本和德國曾為國際受控熱核試驗堆(ITER)研發60和70kA高溫超導電流引線各一件，在試驗時都與銅電流引線配對，但冷端的接頭設計不同前者採用NbTi/Cu線束過渡，液氦浸泡冷卻；後者採用高溫超導段與埋有Nb3Sn超導電纜的銅件釺焊設計，迫流冷卻。
我國在十·五期間建造的超導託卡馬克核聚變試驗裝置EAST的所有磁體採用NbTi/Cu超導電纜穿管(下稱CICC)製造，迫流內冷。因此有別於CERN的Rutherford超導電纜繞制的迫流外冷磁體及傳輸線；日本JAERI的60kA電流引線未考慮與超導傳輸線之間的接頭，而且浸泡冷卻也不適用於EAST；德國FZK的70kA電流引線考慮了與超導傳輸線的接頭技術，採用機械夾緊方式，為減小接頭電阻，表面鍍金，再加上銅件上打深孔埋焊Nb3Sn電纜，難度大，工藝複雜，費用高。上述國外的高溫超導電流引線並未提供具體設計和製造工藝細節。本發明是解決適合類似於EAST裝置的CICC超導傳輸線連接的接頭技術。

發明內容
本發明的目的是提供一種高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭。主要特徵是用NbTi/Cu超導線作為高溫超導段冷端與CICC超導傳輸線之間的載電流元件，採用迫流內冷使NbTi/Cu超導線束工作溫度低於5K，保證它與高溫超導段下端的接頭電阻，它與CICC超導傳輸線之間的接頭電阻都低於5nΩ。
本發明的技術方案如下高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭，其特徵在於包括有低熱導不鏽鋼支撐筒，支撐筒外壁上焊接有間隔排布的高溫超導疊，高溫超導疊的溫端焊接有銅過渡件，高溫超導疊的冷端通過釺焊搭接有NbTi/Cu超導線，不鏽鋼支撐筒冷端連接有高導銅接頭，高導銅接頭下端部分為錐形體，高導銅接頭內有冷卻氣流通道，其下端焊接有內銅管和冷卻氣流通道連通，，高導銅接頭側壁開有導流孔和冷卻氣流通道連通，NbTi/Cu超導線經過錐形體到達內銅管外，取互相間隔的超導線先在內銅管外螺旋地纏繞一層，再將另剩餘的超導線按相反方向在內銅管外再纏繞一層，外銅管通過縮徑緊密套在內銅管的超導線外，外銅管與不鏽鋼支撐筒的高導銅接頭之間通過變徑管釺焊密封連接；內、外銅管的下端連接有不鏽鋼接頭，不鏽鋼接頭上有出口管道和內銅管聯通，出口管道外環繞有進氣室和內銅管與外銅管之間的夾層聯通，進氣室側面有入口。
不鏽鋼支撐筒外間隔釺焊有50個高溫超導疊，每疊由5層超導帶組成，超導帶為Ag-5.3wt.％Au合金基體的BSCCO-2223帶材。
所使用的NbTi/Cu超導線表面熱鍍普通錫-40％鉛或錫-58％鉛-2％銻軟釺料，NbTi/Cu超導線與高溫超導帶疊之間的釺焊使用錫-40％鉛，不鏽鋼支撐筒在釺焊前先鍍有銅，每超導疊和二條NbTi/Cu超導線焊接，外銅管內外壁表面熱鍍Sn-40％Pb焊料。
外銅管和不鏽鋼進氣室之間，外銅管與不鏽鋼變徑管之間採用真空銀-銅釺焊。
外銅管外焊接有銅墊塊，銅墊塊焊接面熱鍍錫鉛焊料。
所使用的NbTi/Cu超導線表面熱鍍普通錫-40％鉛或錫-58％鉛-2％銻軟釺料，防止表面氧化，改善超導線之間的均流。NbTi/Cu超導線與高溫超導帶疊之間的釺焊也使用錫-40％鉛，要求在真空容器內均勻加熱施焊，無釺劑或僅用少量松香-酒精溶劑。用於大電流引線的高溫超導普遍使用Ag-5.3wt.％Au合金基體的BSCCO-2223帶材，在自場、77K下的臨界電流70-130A。為承載數千至數萬A電流必須採用數十或數百條帶材並聯，通常先將數條或更多的帶材釺焊組成疊，每高溫超導疊的載流能力在數百至數千A。從降低自場結構和高溫超導段的安全考慮，高溫超導疊與導熱低的不鏽鋼支撐筒釺焊成一體。為高溫超導段溫端與工作溫度在78-300K的銅換熱器連接，也為其冷端與低溫超導線連接，故不鏽鋼支撐筒兩端是高導銅件，它還起熱沉的作用，抑制失冷時高溫超導段過熱損壞。這樣在高溫超導段冷端與低溫超導線的釺焊都依託於冷端的高導銅管件，這與CERN和JAERI的作法類似。
本發明採用超導線螺旋地編繞在內銅管上，螺距必須小於接頭長度，最好取接頭長度的一半。超導線纏繞成2層，每超導疊下有一條NbTi/Cu超導線在外層，2層螺旋必須反向，使氦流能從超導線的交叉縫隙中流通。低溫超導線外套裝薄壁高導外銅管，其內外表面熱鍍Sn-40％Pb焊料。此管件延伸至高溫超導段冷端，採用熔點117℃的Sn-52％In焊料封口。外銅管必須縮管，其和內銅管之間的空隙率控制在28-30％，以保證2層超導線之間和對外銅管之間的橫向電阻足夠低。超臨界氦流從下端不鏽鋼接頭的進氣室進入內、外銅管的夾層，對NbTi/Cu超導線束直接冷卻，氦流先經過變徑管與高導銅接頭之間的縫隙再經過高導銅接頭內的導流孔與螺旋槽通道，進入芯塞的肓孔、內銅管，再經不鏽鋼接頭的出口管道流出，完成一個循環。高導銅接頭的作用是傳導冷卻高溫超導段的冷端，使其運行溫度低於6K。高導銅接頭也是NbTi/Cu超導線束進入正常態時的分流器，提高運行的穩定性和故障態的安全性。NbTi/Cu超導線束承載的電流僅僅穿越2層薄壁銅管和接頭銅塊，故其接頭電阻可控制在低於2-5nΩ水平。
高溫超導電流引線下端採用不鏽鋼接頭，以避免管線施焊時對NbTi超導線性能的影響，一般要求不超過300℃。
本發明高溫超導電流引線是針對EAST的16kA超導環向場和15kA極向場磁體而研發的，高溫超導段的溫端採用液氮冷卻，80K以上的銅電流引線用氮蒸汽冷卻，高溫超導段下端和低溫超導線束用4K超臨界氦流冷卻。在安裝使用前進行了低溫試驗，測量了每個電流引線的冷端高溫超導疊與低溫超導線之間的接頭電阻(1.4-4.6nΩ)和低溫超導線束與CICC端頭之間的接頭電阻(小於5nΩ)。還測量了超臨界氦流經高溫超導電流引線的壓頭損失和流量。2006年3月EAST託卡馬克首次降溫通電試驗，測定6個高溫超導電流引線+12個CICC端頭的全部壓頭損失低於0.1MPa，而超臨界氦流量4.24g/s高於設計值。
應用高溫超導電流引線可大幅度節省低溫超導磁體致冷量，不僅節省大量製冷設備投資，而且明顯減少運行費。因此，即將建成的歐洲超導強粒子對撞機的1625個彎轉和聚焦超導磁體，共配備600-13,000A電流高溫超導電流引線1182個。我國即將投運的超導託卡馬克EAST需15-16kA電流引線26個，全部採用高溫超導電流引線後節省製冷設備1kW/4.5K(價值1200萬元)，節省低溫製冷運行電費6,000元/天。


圖1.是16kA高溫超導段冷端截面圖，由圖可看出高溫超導疊、低溫超導線和高導銅管件之間結構和焊接關係。
圖2是用於超導託卡馬克核聚變實驗裝置EAST的15-16kA電流引線高溫超導段設計圖。
具體實施例方式
圖中標號1.高溫超導段溫端銅件，2.高溫超導疊，3.低熱導不鏽鋼支撐筒，4.帶回流小孔的芯塞，5.冷端高導銅管，6.NbTi/Cu超導線(100條)，7.密封釺焊銅環，8.變徑管，9.有導流孔的高導銅接頭，10.內銅管，11.外銅管，12.CICC超導傳輸線端頭，13.高導銅墊塊，14.超臨界氦流入口，15.超臨界氦流出口管道，16.進氣室，17.導流孔，18.冷卻氣流通道。
高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭，有低熱導不鏽鋼支撐筒3，支撐筒3外壁上焊接有間隔排布的50個高溫超導疊2，每疊由5層超導帶組成，超導帶為Ag-5.3wt.％Au合金基體的BSCCO-2223帶材。高溫超導疊2的溫端焊接有銅過渡件(高溫超導段溫端銅件1)，高溫超導疊2的冷端通過釺焊搭接有NbTi/Cu超導線6，所使用的NbTi/Cu超導線6表面熱鍍普通錫-40％鉛或錫-58％鉛-2％銻軟釺料，NbTi/Cu超導線6與高溫超導帶疊2之間的釺焊使用錫-40％鉛，不鏽鋼支撐筒3在釺焊前先鍍有銅，每超導疊2和二條NbTi/Cu超導線6焊接，不鏽鋼支撐筒3冷端連接有高導銅接頭9，高導銅接頭9由多個銅件連接構成(根據銅件生產工藝需要而定)，銅件之間的空隙構成冷卻氣流通道18，高導銅接頭9和支撐筒3焊接連接，同時在高導銅接頭9內空隙中有液氦流過，起到冷卻超導線6、及高導銅接頭9的作用。高導銅接頭9包括有冷端高導銅管5(與支撐筒3焊接在一起)及帶回流小孔的芯塞4(旋緊在冷端高導銅管5上)，高導銅接頭9下端部分為錐形體，其下端焊接有內銅管10和冷卻氣流通道18連通，高導銅接頭9側壁開有導流孔17和冷卻氣流通道18連通，NbTi/Cu超導線6經過錐形體到達內銅管10外，取互相間隔的超導線6先在內銅管10外螺旋地纏繞一層，再將另剩餘的超導線6按相反方向在內銅管10外再纏繞一層，外銅管11通過縮徑緊密套在內銅管10的超導線6外，不鏽鋼支撐筒3下端焊接有密封釺焊銅環7，不鏽鋼變徑管8上端焊接在密封釺焊銅環7上，下端和外銅管11釺焊密封連接；內、外銅管的下端連接有不鏽鋼接頭，不鏽鋼接頭上有出口管道15和內銅管10聯通，出口管道15外環繞有進氣室16和內銅管10與外銅管11之間的夾層聯通，進氣室16側面有超臨界氦流入口14。
外銅管內外壁表面熱鍍Sn-40％Pb焊料。
外銅管11外焊接有銅墊塊13，銅墊塊13焊接面熱鍍錫鉛焊料。
銀基高溫超導帶材相當貴，$150/kAm；而用於電流引線的銀金基Bi-2223帶還要貴5倍，而且很脆弱易折壞，焊成疊後會結實得多。此電流引線含50個高溫超導疊，每疊由5層超導帶組成，預先在專用鋁合金模具中超導帶與焊料薄帶(厚度0.05-0.07mm)相間放置壓緊，在真空容器中均勻加熱至200℃釺焊成一體。超導疊與支撐筒和低溫超導線之間釺焊也使用薄帶焊料，在真空環境中進行，不使用釺劑，從而避免釺劑的腐蝕性。為保證釺焊質量，不鏽鋼表面應鍍銅，而高導銅接頭表面可清洗鈍化或鍍錫。本發明使用的低溫超導線原用於CICC超導電纜，表面已熱鍍了Sn-Pb-Sb。套在低溫超導線束外的外銅管11也應內外熱鍍Sn-Pb焊料，以減小外銅管表面氧化產生的電阻。外銅管下端與不鏽鋼進氣室16和上端與不鏽鋼變徑管8，以及不鏽鋼變徑管與密封釺焊銅環7之間都系真空銀-銅釺焊，以保證真空氣密性。
高導銅接頭9各組件裝配後，用Sn-Pb焊填縫，確保氣密。高導銅接頭9與內銅管10、不鏽鋼接頭的出口管道15裝配也用Sn-Pb焊填縫。每個高溫超導疊與2條低溫超導線相連，在超導線束螺旋編繞時，第一層取每疊其中一條超導線，在末端直徑相對小的不鏽鋼出口管上綁紮，也可薄薄地錫焊成一體；第二層的螺旋必須反向，其末端應比第一層短5mm，在出口管段用細鋼絲綁紮，防止鬆散，多餘的超導線長度應剪除。在與外管組件組裝前，必須對外管組件的釺焊縫氣密性用氦質譜儀嚴格檢漏。在外管組件套裝後，先在上端用Sn-In釺料封口，要求氣密。施焊時應採用加熱器控溫至100℃，後用大功率電烙鐵施焊。完成後必須對外銅管縮徑，外徑由23縮至21.6mm。縮徑工藝依靠專用的油壓機和模具，下端進氣管必須在縮徑後與進氣室施氬弧焊，否則影響縮徑。
高溫超導電流引線安裝到恆溫器上蓋後，其下端與CICC超導傳輸線的端頭12連接是通過雙面帶圓弧的高導銅墊塊13，兩邊用不鏽鋼夾板和兩排螺釘壓緊，為減小接頭電阻，銅墊塊表面熱鍍錫鉛焊料，並在組裝時加低熔點焊料帶，機械夾緊後加熱至焊料熔化溫度。
權利要求
1.高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭，其特徵在於包括有低熱導不鏽鋼支撐筒，支撐筒外壁上焊接有間隔排布的高溫超導疊，高溫超導疊的溫端焊接有銅過渡件，高溫超導疊的冷端通過釺焊搭接有NbTi/Cu超導線，不鏽鋼支撐筒冷端連接有高導銅接頭，高導銅接頭下端部分為錐形體，高導銅接頭內有冷卻氣流通道，其下端焊接有內銅管和冷卻氣流通道連通，，高導銅接頭側壁開有導流孔和冷卻氣流通道連通，NbTi/Cu超導線經過錐形體到達內銅管外，取互相間隔的超導線先在內銅管外螺旋地纏繞一層，再將另剩餘的超導線按相反方向在內銅管外再纏繞一層，外銅管通過縮徑緊密套在內銅管的超導線外，外銅管與不鏽鋼支撐筒的高導銅接頭之間通過變徑管釺焊密封連接；內、外銅管的下端連接有不鏽鋼接頭，不鏽鋼接頭上有出口管道和內銅管聯通，出口管道外環繞有進氣室和內銅管與外銅管之間的夾層聯通，進氣室側面有入口。
2.根據權利要求1所述的接頭，其特徵在於不鏽鋼支撐筒外間隔釺焊有50個高溫超導疊，每疊由5層超導帶組成，超導帶為Ag-5.3wt.％Au合金基體的BSCCO-2223帶材。
3.根據權利要求1所述的接頭，其特徵在於所使用的NbTi/Cu超導線表面熱鍍普通錫-40％鉛或錫-58％鉛-2％銻軟釺料，NbTi/Cu超導線與高溫超導帶疊之間的釺焊使用錫-40％鉛，不鏽鋼支撐筒在釺焊前先鍍有銅，每超導疊和二條NbTi/Cu超導線焊接，外銅管內外壁表面熱鍍Sn-40％Pb焊料。
4.根據權利要求1所述的接頭，其特徵在於外銅管和不鏽鋼進氣室之間，外銅管與不鏽鋼變徑管之間採用真空銀-銅釺焊。
5.根據權利要求1所述的接頭，其特徵在於外銅管外焊接有銅墊塊，銅墊塊焊接面熱鍍錫鉛焊料。
全文摘要
本發明公開了一種高溫超導大電流引線冷端與超導傳輸線低電阻接頭，包括有低熱導不鏽鋼支撐筒，支撐筒外壁上焊接有間隔排布的高溫超導疊，高溫超導疊的溫端焊接有銅過渡件，高溫超導疊的冷端通過釺焊搭接有NbTi/Cu超導線，NbTi/Cu超導線交叉纏繞在內銅管上，內銅管外套有外銅管，在內、外銅管之間通液氦對超導線及高導銅接頭進行冷卻。本發明結構較簡單，工藝要求不高，適用於20kA以下的連接。本發明的接頭電阻低達1.4－4.6nΩ，在4g/s超臨界氦流量下，6個接頭加12個傳輸線端頭的全部壓頭損失低於0.1MPa。
文檔編號H01F6/06GK1873847SQ20061008588
公開日2006年12月6日 申請日期2006年5月25日 優先權日2006年5月25日
發明者畢延芳, 馬登奎 申請人:中國科學院等離子體物理研究所