一種螺旋形截面的正負一體電流引線結構及方法
2023-10-26 23:35:12 1
專利名稱：一種螺旋形截面的正負一體電流引線結構及方法
技術領域：
本發明涉及低溫與超導應用技術領域。特別是一種螺旋形截面的正負一體電流引線結構及方法。
背景技術：
電流引線是許多低溫超導系統中的一個重要組成部分。它負責連接室溫端的電源與低溫端的超導器件，保證超導器件的正常供電。因其兩端存在的巨大溫差和通電時產生的大量焦耳熱，有大量熱量通過電流引線帶入低溫環境。因此，在很多的超導系統中，電流引線漏熱都是低溫環境最重要的熱源之一。為了減少電流引線對低溫的漏熱，通常是將引線自身向低溫漏熱蒸發的氦氣流經引線，通過這些冷卻氣體來帶走引線產生的焦耳熱及外界向引線的漏熱。國際上許多學者都在氣冷電流引線方面作了很多理論及實驗研究，形成了一套氣冷電流引線設計理論。主要內容如下1.電流引線的橫截面積與長度兩者之間存在最優化設計。
2.在最優化設計時，電流引線對低溫環境的漏熱最小，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)這些理論指導了國際上大部分電流引線的設計與製造。但是很多按最優化理論設計的電流引線，實際運行時並不能達到預想的運行參數，一般有如下兩種原因1.最優化理論中假設冷卻氣流與引線充分換熱(換熱效率η＝1)，實際中引線換熱效率η＜1。
2.實際運行的電流引線，，由於引線實際製作過程中的差異或超導裝置本身的一些問題，正負兩個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。超導裝置中除電流引線外的其他低溫熱源也可能使流經引線的冷卻氣流處於非正常狀態。所有這些都會使電流引線的實際工作狀況偏離最優化設計。
第一種原因通常為大家熟知並重視，在電流引線的設計中儘量提高冷卻氣體的換熱效率，以儘可能的降低引線對低溫環境的漏熱量。但第二種原因卻被很多設計者忽略。但理論模擬計算與實驗數據表明，正負引線間的氣流不對稱分配及同一引線不同流道間的氣流不均勻分配都會極大的影響電流引線的正常運行，使正負引線間的溫度場分布不對稱或同一引線的不同流道間的溫度場不均衡，由此使引線的運行狀態偏離最優化點，增加引線的漏熱量，同時提高了引線運行的不穩定性。
發明內容
新引線因為採用了正負一體螺旋形截面結構，使正負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引線間不對稱現象的發生，使引線的工作狀態點趨向於最優化點。同時增加了引線工作的穩定性。
新引線具有以下優點1.由於新引線的正負兩極的溫度場能保持較好的對稱性及同步性，因此能有效的控制引線工作於最優化點，增加引線工作的穩定性。
2.由於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遠高於大部分其他類型的電流引線。且由於氣流流通截面積較大，氣流壓降相對不高。
3.結構緊湊，體積與其他引線相比減小很多。
本發明主要用於室溫電源與低溫狀態下的超導器件的連接。包括室溫至液氦溫度區域及室溫至液氮溫度區域。
一種螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，引線主體(7)由螺旋形正負銅卷(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)位於中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面，正負銅卷(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。
正負銅卷(12)層間結構正銅卷(12-1)，氣流流道電氣絕緣層(15)，負銅卷(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開。
引線中使用的電氣絕緣材料可以選用環氧玻璃纖維材料。
引線整體結構由冷卻氣體出口(1)，正極上端集流排(2)，絕緣層(3)，負極上端集流排(4)，正極上端環(5)，負極上端環(6)，引線主體(7)，負極下端環(8)，絕緣層(9)，正極下端環(10)，冷卻氣體入口(11)組成，正極上端集流排(2)位於正極上端環(5)上部，負極上端集流排(4)位於負極上端環(6)上部，正極部件(2)(5)與負極部件(4)(6)之間為絕緣層(3)，部件(1-6)構成引線出口部，絕緣層(9)處於負極下端環(8)與正極下端環(10)之間，部件(8-10)構成引線入口部。
圖1是正負一體螺旋形截面電流引線整體結構圖。
圖2是引線主體部分橫截面示意圖。
具體實施例方式
圖1，一種螺旋形截面的正負一體電流引線整體結構。其中1-冷卻氣體出口，2-正極上端集流排，3-絕緣層，4-負極上端集流排，5-正極上端環，6-負極上端環，7-引線主體，8-負極下端環，9-絕緣層，10-正極下端環，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)位於中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面。正負銅卷(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。
引線主體由正負銅卷，氣流流道電氣絕緣層，位於中間位置的電氣絕緣棒及外面的電氣絕緣筒組成。正負銅卷承載正負極的電流。氣流流道電氣絕緣層的作用有三個1.作為正負銅卷間的電氣絕緣層；2.提供冷卻氣流流道；3.作為正負銅卷間的連接層，可以使正負兩銅卷的溫度場具有對稱性及溫度場變化具有同步性。電氣絕緣棒作用有兩個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.引線製作時，可將正負銅片一端先固定於電氣絕緣棒上，便於操作。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出。
正負銅卷層間結構為正銅卷(12-1)，氣流流道電氣絕緣層(15)，負銅卷(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氧玻璃纖維材料。
一種正負一體的螺旋形截面電流引線製作步驟如下方法一(適用於焊接溫度低於電絕緣材料熔點情況，如錫焊等)1)正負兩銅片的準備；一定規格，尺寸，正極稍長。
2)兩張氣流流道電氣絕緣片的準備；可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成。
3)正負兩銅片的一端固定於電氣絕緣棒上(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於電氣絕緣棒上(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捲起，直至末端；6)正負極上下端環準備；在一定厚度(10～20mm)的銅圓柱上刻螺旋形狹縫。可採用線切割等技術。
7)將正負極上下端環與卷好的銅片組裝，焊接；8)在負極上端集流排內側及正負上端環之間加入電絕緣材料；9)將正負上端環與集流排焊接；10)將正負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(適用於焊接溫度高於電絕緣材料熔點情況，如銀焊等)1)正負兩銅片的準備；一定規格，尺寸，正極稍長。
2)兩張氣流流道電氣絕緣片的準備；可由多根狹長條與絕緣片低溫膠粘接而成。
3)正負兩銅片的一端固定於電氣絕緣棒上(固定位置分別為0度，180度處)；4)在正負兩銅片間夾兩銅片(不與電氣絕緣棒固定)，銅片長度稍長於正負銅片，厚度稍厚於氣流流道電氣絕緣片；5)將四銅片均勻繞電氣絕緣棒捲起，直至末端；6)正負極上下端環準備，在一定厚度(10～20mm)的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；可採用線切割等技術。
7)將正負銅片間的兩銅片抽出，將正負極上下端環與卷好的銅片組裝，焊接；8)將正負上端環與集流排焊接；9)在正負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銅卷間並固定(可以塗少量低溫膠後插入)。
新引線優缺點優點1.由於新引線的正負兩極的溫度場能保持較好的對稱性及同步性，因此能有效的控制引線工作於最優化點，增加引線工作的穩定性。
2.由於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遠高於大部分其他類型的電流引線。且由於氣流流通截面積較大，氣流壓降相對不高。
3.結構緊湊，體積與其他引線相比減小很多。
缺點1.由於引線中有電絕緣材料，因此引線不能工作於高溫狀態。引線能承受最高溫度＜200℃。
2.製作過程較複雜。
權利要求
1.一種螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，其特徵在於，引線主體(7)由螺旋形正負銅卷(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)位於中間位置，電氣絕緣筒(13)在最外面，正負銅卷(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.根據權利要求1的螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，其特徵在於，正負銅卷(12)層間結構正銅卷(12-1)，氣流流道電氣絕緣層(15)，負銅卷(12-2)，氣流流道電氣絕緣層(15)，四層依序排列。
3.根據權利要求1或2的螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，其特徵在於，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開。
4.根據權利要求1或2或3的螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，其特徵在於，引線中使用的電氣絕緣材料可以選用環氧玻璃纖維材料。
5.根據權利要求1的螺旋形截面的正負一體電流引線主體結構，其特徵在於，引線整體結構由冷卻氣體出口(1)，正極上端集流排(2)，絕緣層(3)，負極上端集流排(4)，正極上端環(5)，負極上端環(6)，引線主體(7)，負極下端環(8)，絕緣層(9)，正極下端環(10)，冷卻氣體入口(11)組成，正極上端集流排(2)位於正極上端環(5)上部，負極上端集流排(4)位於負極上端環(6)上部，正極部件(2)(5)與負極部件(4)(6)之間為絕緣層(3)，部件(1-6)構成引線出口部，絕緣層(9)處於負極下端環(8)與正極下端環(10)之間，部件(8-10)構成引線入口部。
6.一種螺旋形截面的正負一體電流引線製作方法，方法一，適用於焊接溫度低於電絕緣材料熔點情況1)正負兩銅片的準備；2)兩張氣流流道電氣絕緣片的準備；3)正負兩銅片的一端固定於電氣絕緣棒上；4)兩張氣流流道電氣絕緣片的一端固定於電氣絕緣棒上；5)將兩銅片及兩絕緣片均勻繞電氣絕緣棒捲起，直至末端；6)正負極上下端環準備在一定厚度的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；7)將正負極上下端環與卷好的銅片組裝，焊接；8)在負極上端集流排內側及正負上端環之間加入電絕緣材料；9)將正負上端環與集流排焊接；10)將正負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一體電流引線製作方法，方法二，適用於焊接溫度高於電絕緣材料熔點情況1)正負兩銅片的準備；2)兩張氣流流道電氣絕緣片的準備；3)正負兩銅片的一端固定於電氣絕緣棒上；4)在正負兩銅片間夾兩銅片，銅片長度稍長於正負銅片，厚度稍厚於氣流流道電氣絕緣片；5)將四銅片均勻繞電氣絕緣棒捲起，直至末端；6)正負極上下端環準備，在一定厚度的銅圓柱上刻螺旋形狹縫；7)將正負銅片間的兩銅片抽出，將正負極上下端環與卷好的銅片組裝，焊接；8)將正負上端環與集流排焊接；9)在正負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銅卷間並固定。
全文摘要
本發明涉及低溫與超導應用技術領域。一種螺旋形截面的正負一體電流引線結構及方法。引線主體由螺旋形正負銅卷，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成。方法正負兩銅片；兩張氣流流道&電氣絕緣片；正負兩銅片的一端固定於電氣絕緣棒上；將兩銅片及兩絕緣片均勻繞電氣絕緣棒捲起；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；將正負極上下端環與卷好的銅片組裝；在負極上端集流排內側及正負上端環之間加入電絕緣材料；將正負上端環與集流排焊接；將正負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。主要用於室溫電源與低溫狀態下的超導器件的連接。
文檔編號H01B1/00GK1913189SQ200510090178
公開日2007年2月14日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者朱自安, 徐慶金, 易昌煉, 楊歡, 劉立強, 周謹, 黃世科, 張亮 申請人:中國科學院高能物理研究所, 中國科學院理化技術研究所