超導(dǎo)電流引線-夏文君

1、武漢中科牛津波譜技術(shù)有限公司武漢中科牛津波譜技術(shù)有限公司超導(dǎo)電流引線電流引線概述2022-4-28 低溫超導(dǎo)磁體在液氦（溫度4.2K）中運(yùn)行，由高溫超導(dǎo)材料制成的磁體也需在液氮（77K）中運(yùn)行，為磁體勵(lì)磁的電源處于室溫，連接室溫電源和低溫磁體的導(dǎo)體稱為電流引線。 無論是縱向場(chǎng)還是極向場(chǎng)超導(dǎo)線圈都需要電流引線，低溫超導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，希望盡可能降低其熱負(fù)荷，從而減小系統(tǒng)制冷量，但在大型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中，電流引線往往是磁體系統(tǒng)的主要漏熱源。 為了滿足傳輸電流的要求，需要采用電的良導(dǎo)體制作電流引線，以降低電流傳輸過程中引起的焦耳熱，而為了降低電流引線向低溫系統(tǒng)傳熱，又需要采用熱導(dǎo)率小的材料制作電流引線，電

2、流引線通常由金屬或合金材料制成，但實(shí)際上，對(duì)于金屬類材料，它是電的良導(dǎo)體時(shí)也是熱的良導(dǎo)體。電流引線概述2022-4-28 由于電流引線通常由金屬或合金材料制成，本身有一定的電阻，因而在傳輸電流時(shí)要產(chǎn)生熱量，這些熱量一部分由引線末端傳入低溫容器，對(duì)于大型超導(dǎo)磁體，電流引線漏熱在往往影響著超導(dǎo)磁體運(yùn)行時(shí)的液氦消耗量，因此，大型超導(dǎo)磁體的電流引線的設(shè)計(jì)是十分講究的。電流引線的設(shè)計(jì)就是要滿足磁體運(yùn)行電流要求的前提下，盡可能減小注入低溫容器的熱量。 在一定的電流下，引線漏熱與制作引線的材料有關(guān)，一旦引線的材料確定后，漏熱則與引線的形狀和尺寸密切相關(guān)，由引線傳入低溫容器的熱量來自引線的傳導(dǎo)熱和焦耳熱兩個(gè)方

3、面，加大引線的截面積，可減小引線的焦耳熱，而減小引線的截面積，情況正好相反，兩者之間是存在著矛盾的，因此，恰當(dāng)?shù)奶幚砗脗鲗?dǎo)熱和焦耳熱之間的關(guān)系是引線設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一。怎樣在滿足傳輸電流的前提下，減少電流引線向低溫系統(tǒng)漏熱，自超導(dǎo)磁體出現(xiàn)以來，一直是人們專門研究的課題。電流引線的分類2022-4-28按冷卻方式分：傳導(dǎo)冷卻電流引線；氣冷電流引線。按與磁體的連接方式：可拔式電流引線；固定式電流引線。按材料分：傳統(tǒng)電流引線；采用高溫超導(dǎo)材料的電流引線。 電流引線的分類2022-4-28 傳導(dǎo)冷卻電流引線：傳導(dǎo)冷卻電流引線又稱為一端冷卻電流引線，傳導(dǎo)冷卻電流引線主要用在小電流或者電流較大但通電時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)

4、采用的一種簡(jiǎn)單形式的電流引線，除端部外，電流引線中間部分基本上不進(jìn)行熱交換，可見這種電流引線的散熱條件是很差。對(duì)于這種電流引線，降低熱端溫度能有效的減小注入低溫容器的熱量。如果將引線的溫度降到液氮溫度，引線流入液氦區(qū)的熱量將減小1/4，下圖為這種引線結(jié)構(gòu)示意圖：氣冷電流引線2022-4-28所謂氣冷電流引線是利用引線末端漏熱引起液氦蒸發(fā)產(chǎn)生的氦氣冷卻電流引線本體的一種電流引線，這種引線可分為氣冷電流引線和自冷電流引線。這種引線充分利用了電流顯熱，與傳導(dǎo)冷卻電流引線相比，氣冷電流引線末端引起的漏熱要減小兩個(gè)數(shù)量極。氣冷電流引線的結(jié)構(gòu)形式很多，以下對(duì)幾種常見的結(jié)構(gòu)形式做簡(jiǎn)單的介紹：氣冷電流引線20

5、22-4-28束狀電流引線（Braided Current leads）：這種電流引線由許多線束構(gòu)成的，其中每一束又由若干金屬細(xì)線構(gòu)成，引線與氦氣接觸面積很大。這種引線結(jié)構(gòu)能讓氦氣在引線內(nèi)部流動(dòng)，氣流在流動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生很小的旋渦，因而能獲得充分的冷卻效果，并且結(jié)構(gòu)緊湊。線或管狀電流引線（Current leads made of Wires or Tubers）：這種電流引線由多個(gè)線或管組成，線管間彼此不接觸，成為氣流的流動(dòng)通道。為了使氣流紊流化，在引線殼中，可以設(shè)置若干擋流板來改變氣流的流動(dòng)方向，從而可以強(qiáng)化傳熱效果，下面是以上兩種電流引線的結(jié)構(gòu)圖：氣冷電流引線2022-4-28氣冷電流引線20

6、22-4-28帶有翹片的電流引線（ Current leads with finned current carrying elements）：這是一種在電流管上焊有翹片的電流引線，實(shí)驗(yàn)表明附軸向翹片的引線其熱交換效果明顯優(yōu)于附徑向翹片的熱交換效果。內(nèi)置旋轉(zhuǎn)葉輪的電流引線（Current leads of Rotating Turbulator)：氦氣流經(jīng)這種引線時(shí)，引線內(nèi)旋轉(zhuǎn)的葉輪使氣體處于強(qiáng)迫對(duì)流狀態(tài)，破壞氦氣的邊界層，并且氣體流動(dòng)的方向也在不斷的改變，從而大大提高熱交換次數(shù)。這種引線應(yīng)用于過載電流引線，更能顯示出它的優(yōu)越性能。2022-4-28氣冷電流引線按與磁體連接方式分類2022-4-

7、28固定式電流引線：這種電流引線始終與磁體相連，這就相應(yīng)的增加了磁體的熱負(fù)荷，但這種電流引線技術(shù)成熟、工作可靠。實(shí)際上超導(dǎo)磁體只有在勵(lì)磁或去磁時(shí)必須與外界電源相連，在恒定電流時(shí)并不需要電源經(jīng)磁體提供能量，電源的實(shí)際作用只是補(bǔ)償電纜、接頭和電源的熱消耗?？砂问诫娏饕€：為了克服固定式電流引線的缺點(diǎn)，人們采用超導(dǎo)開關(guān)對(duì)磁體進(jìn)行勵(lì)磁以消除引線正常運(yùn)行時(shí)的漏熱，其運(yùn)行原理是在超導(dǎo)線圈兩端并聯(lián)一個(gè)由超導(dǎo)線繞成的無感線圈（超導(dǎo)開關(guān)），并由一個(gè)加熱器來控制其是否處于超導(dǎo)狀態(tài)，當(dāng)磁體勵(lì)磁時(shí)，給加熱器加一定電流，使超導(dǎo)開關(guān)處于臨界溫度以上，此時(shí)超導(dǎo)開關(guān)呈現(xiàn)一定的電阻，這樣全部勵(lì)磁電流對(duì)磁體勵(lì)磁，當(dāng)勵(lì)磁電流達(dá)到額定值后，將加熱器電流斷開，超導(dǎo)開關(guān)由正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)，磁體電流就可以長(zhǎng)時(shí)間流動(dòng)。按制造電流引線的材料分類2022-4-28傳統(tǒng)電流引線：傳統(tǒng)電流引線又稱常規(guī)電流引線，常規(guī)電流引線一般采用銅或銅合金制成。高溫超導(dǎo)電流引線：高溫超導(dǎo)電流引線是一種復(fù)合電流引線，在低溫段采用高溫超導(dǎo)材料，在室溫與高溫超導(dǎo)材料之間采用銅或銅合金等導(dǎo)電材料，作為陶瓷材料的高溫氧化物超導(dǎo)材料（一般是YBCO（釔鋇銅氧）、Bi22212、 Bi22223）的熱導(dǎo)率很低，正常工作時(shí)