專利名稱：高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大型超導(dǎo)磁體的高溫超導(dǎo)電流引線超導(dǎo)組件，具體是一種高安 全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)中國(guó)將發(fā)展超導(dǎo)技術(shù)并大規(guī)模地應(yīng)用于高能加速器、核聚變實(shí)驗(yàn)裝 置、高場(chǎng)磁體和貯能磁體等。4K低溫致冷技術(shù)的難度和昂貴的運(yùn)行費(fèi)用曾是低 溫超導(dǎo)技術(shù)推廣的屏障，大型超導(dǎo)磁體饋電的電流引線是最主要的熱負(fù)荷來(lái)源。 采用高溫超導(dǎo)(HTS)電流引線可使4.5K熱負(fù)荷下降一個(gè)數(shù)量級(jí)。但不少人對(duì)大 電流引線的可靠性心存疑慮如果制冷機(jī)或低溫系統(tǒng)故障停止供冷會(huì)不會(huì)導(dǎo)致 HTS失超？ HTS組件失超會(huì)不會(huì)使超導(dǎo)磁體無(wú)法安全退磁等等？
大型磁體的安全是十分重要的，銅制常規(guī)電流引線其實(shí)也存在失去冷卻后 會(huì)不會(huì)燒毀的問(wèn)題，只是它不存在失超的危險(xiǎn)。HTS電流引線對(duì)于失冷所產(chǎn)生的 安全威脅，現(xiàn)有的對(duì)策是降低HTS溫端至室溫的常規(guī)換熱器段電流密度，增加 換熱器的熱沉；同時(shí)增加HTS分流溫度與運(yùn)行溫度之差，即提高溫度裕度。德 國(guó)卡爾斯魯厄技術(shù)物理所(FZK-ITP)的70kA電流引線試驗(yàn)證明，當(dāng)電流引線試 驗(yàn)電流在68kA額定值，失冷5分鐘后HTS才出現(xiàn)分流和失超轉(zhuǎn)變。如果磁體在 5分鐘內(nèi)退磁，則HTS不發(fā)生失超， 一般情況下5分鐘時(shí)間已足夠讓磁體電流回 零，所以HTS電流引線的可靠性和安全性也是有保障的。
那么HTS組件一旦發(fā)生失超，它會(huì)不會(huì)在磁體退磁過(guò)程中被燒毀或性能因 過(guò)熱而退化？這取決于與它并聯(lián)的分流器設(shè)計(jì)。分流器設(shè)計(jì)包括材料選擇和截 面積確定，在正常運(yùn)行情況下分流器不承載電流，只起到對(duì)HTS疊的機(jī)械支撐 作用。 一旦HTS達(dá)到分流溫度，則分流器和HTS帶的Ag-Au基體共同承載部分 電流。目前歐洲核研究中心(CERN)用于超級(jí)強(qiáng)粒子對(duì)撞機(jī)(LHC)的13kA電流 引線和FZK-ITP的70kA電流引線都選擇不銹鋼作為分流器材料，其優(yōu)點(diǎn)是熱導(dǎo) 率小，它的比熱對(duì)電阻率的比值比其他金屬大。HTS失超后電流完全轉(zhuǎn)移到基體和分流器中，由于HTS組件的材料都具低熱導(dǎo)、高電阻率特性，升溫快速，可 近似按絕熱過(guò)程處理，即電流產(chǎn)生的焦耳熱全部轉(zhuǎn)化為對(duì)導(dǎo)電材料的加熱。從 失超到熱點(diǎn)溫度閾值的熱逃逸時(shí)間可表達(dá)為(1)<formula>formula see original document page 4</formula>
上式中A"t是分流器的截面積，I—分流器承載的電流，a—分流器的體積比熱,
p—電阻率，Th。tsp。t—熱點(diǎn)溫度閾值，Tinitial —失超的初始溫度。由式(1)可見(jiàn)， 如果考慮失超后的安全性，即延長(zhǎng)熱逃逸時(shí)間t，可通過(guò)增加截面積A^t或選擇 低電阻率材料。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是漏熱增加，因?yàn)榉至髌鞯穆?br> <formula>formula see original document page 4</formula>
上式中、一是分流器材料的熱導(dǎo)率，Tw-，，d分流器溫端溫度。根據(jù)Wiedemann-Frantz定律
<formula>formula see original document page 4</formula>上式中L。是Lorentz常數(shù)，T一溫度。所以，較低電阻率材料的熱導(dǎo)率必然較高， 增加熱逃逸時(shí)間必將導(dǎo)致漏熱增加。
美國(guó)超導(dǎo)公司曾為L(zhǎng)HC研發(fā)13kA電流引線時(shí)采用黃銅分流器。EAST有一對(duì) 縱場(chǎng)磁體16kA電流引線也用了黃銅分流器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其安全性能很好， 但傳導(dǎo)漏熱高達(dá)llW/個(gè)。
總之，現(xiàn)有大電流引線的分流器設(shè)計(jì)都采用單一材料，要么安全性不夠，要 么漏熱過(guò)大。巨型超導(dǎo)磁體是未來(lái)磁約束聚變能開(kāi)發(fā)必不可少的部件，因此， 高安全性、低漏熱HTS電流引線具有潛在的市場(chǎng)需求。
現(xiàn)有的分流器多數(shù)多采用單一的不銹鋼材料，具有漏熱低的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)熱逃 逸時(shí)間要求大于13秒以上時(shí)分流器設(shè)計(jì)成為難題。不銹鋼分流器的一個(gè)主要問(wèn) 題是其電阻率比Ag-5. 3wt.%Au合金大 21倍，而二者在并聯(lián)導(dǎo)電時(shí)電流按截面 積與電阻率的比值分配電流。以FZK的70 kA不銹鋼分流器為例[2]，雖然分流 器的截面積4955 mm2是Ag-Au基體的9.1倍，但由于電阻率的懸殊差異，不銹 鋼承載電流僅僅占30%，而7(^電流由HTS帶的基體承載。單位體積的發(fā)熱比例于電流密度的平方與電阻率的乘積，由于電流密度懸殊差異，HTS疊內(nèi)發(fā)熱密度 竟是不銹鋼分流器的21倍，這樣，分流器實(shí)際上并非從HTS疊分走電流，而是 作為熱沉分走發(fā)熱。然而不銹鋼的熱導(dǎo)率相當(dāng)?shù)?，試?yàn)表明，即使距離HTS疊 7mra的不銹鋼分流器，在失超后的溫差可高達(dá)30-35K。這說(shuō)明厚壁不銹鋼分流
器的大部分材料對(duì)熱沉的貢獻(xiàn)很少。
國(guó)際熱核聚變?cè)囼?yàn)堆(ITER)的環(huán)形場(chǎng)磁體由18個(gè)D形線簡(jiǎn)組成，設(shè)計(jì)額定 電流68 kA，全部貯能量 41 GJ，出于安全考慮，每?jī)蓚€(gè)線圈連接一對(duì)電流引 線?？v場(chǎng)線圈導(dǎo)體的放電時(shí)間常數(shù)為ll秒，為防止電磁噪聲產(chǎn)生的誤觸發(fā)保護(hù) 系統(tǒng)，從失超信號(hào)檢測(cè)到觸發(fā)磁體電源斷開(kāi)及移能保護(hù)，延時(shí)2秒。在前2秒 內(nèi)電流引線保持全電流，自第2秒后電流將按負(fù)指數(shù)^減，這樣13秒內(nèi)的發(fā)熱 等值于2 + 11/2 = 7.5秒內(nèi)全電流發(fā)熱。但為安全起見(jiàn)，要求13秒內(nèi)維持全 電流，熱點(diǎn)溫度不超過(guò)160 K。
FZK-ITP的70kA電流引線試驗(yàn)結(jié)果表明，以HTS兩端電位差10 mV為失超 判據(jù)為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，7s后熱點(diǎn)溫度達(dá)到150 K,因此未滿足13s要求，而且相差
甚遠(yuǎn)o

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，通 過(guò)正確選擇分流器材料和改進(jìn)其結(jié)構(gòu)提高安全性，延緩升溫速率，但又不以增
加漏熱作為代價(jià)，電流引線一旦失超，在磁體放電時(shí)間常數(shù)加2秒內(nèi)即使電流 引線維持額定電流，HTS的熱點(diǎn)溫度不超過(guò)160K;并且分流器向5K低溫的漏熱 低于0. 06W/kA水平。
本發(fā)明技術(shù)方案如下
一種高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，包括有溫端與冷端分 別焊接有高導(dǎo)無(wú)氧銅端頭，其特征在于所述的溫端與冷端之間，依次有錫磷青 銅段和不銹鋼段；所述無(wú)氧銅端頭、錫磷青銅段、不銹鋼段相鄰處真空硬釬焊 連接，與事先已軟焊接為一體的HTS疊的釬焊溫度需低于HTS疊釬料熔點(diǎn)。
所述的高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，其特征在于所述的 錫磷青銅段、不銹鋼段之長(zhǎng)度比為2-3: 2。
本發(fā)明分流器是將分流器縱向分成兩段,在較高運(yùn)行溫度段采用熱導(dǎo)比不銹鋼略好的銅合金，在低運(yùn)行溫度段仍采用不銹鋼以減小向低溫漏熱，它適用于 大型超導(dǎo)磁體的HTS電流引線，將應(yīng)用于磁體貯能量GJ水平的68kA電流引線。
根據(jù)美國(guó)HORIZON公司CRY0C0MPv3. 06軟件提供的合金材料數(shù)據(jù)，錫磷青 銅在100K溫度的電阻率約比不銹鋼低6倍，二者的電阻率、熱導(dǎo)率和體積比熱 對(duì)溫度的變化見(jiàn)圖1-3。錫磷青銅較低的電阻率可使它從失超的HTS疊中分出更 多的電流，同時(shí)由于它的熱導(dǎo)率比不銹鋼高3倍多，能更好地幫助HTS疊散熱。 所以，從安全性考慮它比不銹鋼能更有效地保護(hù)HTS材料失超導(dǎo)致過(guò)熱損壞。
需要特別指出的是，HTS失超通常出現(xiàn)在溫度最高區(qū)，然后向低溫區(qū)傳播， 在失超區(qū)擴(kuò)展到不銹鋼段之前，此段HTS疊仍承載幾乎全部電流，這樣其情況 與全青銅分流器的一樣，這己被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
本發(fā)明公開(kāi)如何設(shè)計(jì)錫磷青銅與不銹鋼復(fù)合的分流器，將式(1)進(jìn)行變換 可得分流器錫磷青銅截面積的表達(dá)式
丄 =/
一+
(4)
上式中Z^^w指要求的、按負(fù)指數(shù)衰減的線圈時(shí)間常數(shù)，根據(jù)安全裕度可取實(shí)際
時(shí)間常數(shù)的2倍或更大；起始溫度取90K,在此溫度下Ag-Au合金基體和分流器 已承載電流；試驗(yàn)表明，熱點(diǎn)溫度限制在150K以下是安全的，但由于本計(jì)算忽 略了縱向熱傳導(dǎo)，因此可將熱點(diǎn)溫度提升至200K作為變通的辦法。
精確的失冷后的HTS段升溫過(guò)程需應(yīng)用ANSYS軟件做仿真，數(shù)學(xué)模型如偏 微分方程(5)，初值溫度分布是氣冷優(yōu)化電流引線的換熱器和傳導(dǎo)冷卻的HTS 段穩(wěn)態(tài)運(yùn)行解，其數(shù)學(xué)模型如式(6)和(7):
3x
A《
"(7V2=Q^ (5)
+ ^(7>/2-~^一0 = 0 (6) 爿
/^(r-^)4Q7二 (7)
血
通常,數(shù)值模擬得到的HTS熱逃逸時(shí)間大于初始的要求時(shí)間，其多出時(shí)間也計(jì)
入安全裕度。
丄
血
血發(fā)明效果
以ITER裝置的68kA電流引線為例，如果錫磷青銅截面積取3000 mm2，則 它將承載51%電流，從而使HTS帶的發(fā)熱功率減半，溫升速率減半；其次，由于 它的熱導(dǎo)率是不銹鋼的3-4倍(見(jiàn)圖3)，它的熱沉作用比不銹鋼好得多。熱導(dǎo) 率大的不良影響是對(duì)低溫端的漏熱增加，采用不銹鋼與青銅縱向復(fù)合分流器可 克服漏熱增加的弊端。在50K以下的溫區(qū)，不銹鋼的熱導(dǎo)率是青銅的 1/3，不 銹鋼段的長(zhǎng)度0. 11 m (占總長(zhǎng)35 %)。對(duì)于有效長(zhǎng)度0.31m整個(gè)分流器的漏熱 可低達(dá)0.06 W/kA (圖4)，此值僅僅是HTS疊漏熱的一半；與截面積5000 mm2 的全不銹鋼分流器漏熱相當(dāng)，但從失超升溫至160 K的時(shí)間增加2倍。
現(xiàn)68 kA電流引線由90個(gè)HTS疊組成，為驗(yàn)證分流器安全性和HTS疊的載 流能力，按截面積l/90比例制作了3個(gè)試件a)全不銹鋼分流器(圖5), b) 全Be青銅分流器，c) 2/3長(zhǎng)度Be青銅分流器與1/3長(zhǎng)度不銹鋼復(fù)合分流器(圖 6),測(cè)量電流引線失冷和失超后升溫過(guò)程。以HTS段電位差I(lǐng)O mV為計(jì)時(shí)起點(diǎn)， 當(dāng)HTS熱點(diǎn)溫度達(dá)160K為計(jì)時(shí)終點(diǎn)，這3個(gè)樣品的熱逃逸時(shí)間分別為10 s、 36s和37s，見(jiàn)圖8和9?？梢?jiàn)全不銹鋼分流器熱逃逸時(shí)間〈13 s,不滿足安全 性要求；其余2個(gè)分流器熱逃逸時(shí)間是不銹鋼分流器的3倍多，大大髙于安全 性要求。也顯示了復(fù)合分流器的安全性與全Be青銅分流器相當(dāng)，但漏熱與全不 銹鋼的接近。在68 kA電流引線設(shè)計(jì)時(shí)復(fù)合分流器的不銹鋼段截面積是全不銹 鋼分流器的一半，由于不銹鋼在低于50K溫度的熱導(dǎo)率明顯下降(見(jiàn)圖3)，最 終復(fù)合分流器的漏熱可達(dá)到略低于全不銹鋼分流器。
為提高安全性，采用鈹青銅分流器取代不銹鋼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1/90電流引線的 模型試驗(yàn)表明，對(duì)提髙安全性十分有效，以10mV作為失超判據(jù)，升溫至160K 的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)36s;但分流器漏熱增加十分明顯，高達(dá)14W，是不銹鋼的3.6倍。


圖l.錫磷青銅和不銹鋼的電阻率隨溫度的變化。 圖2.錫磷青銅和不銹鋼的熱導(dǎo)率隨溫度的變化。 圖3.錫磷青銅和不銹鋼的體積比熱隨溫度的變化。 圖4.錫磷青銅-不銹鋼復(fù)合分流器的漏熱與界面溫度。圖5.己有技術(shù)的HTS疊與分流器組件剖面圖。 圖6. HTS疊與復(fù)合分流器的組件剖面圖。 圖7.圓筒形復(fù)合分流器截面圖.
圖8.全不銹鋼分流器1/90試件的失冷失超的升溫過(guò)程。 圖9.全Be青銅分流器和Be青銅一不銹鋼復(fù)合分流器1/90試件的失冷失 超的升溫過(guò)程。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖6、 7。分流器與已軟釬焊成為一體的HTS疊1釬焊連接。 一種高安 全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，包括有溫端與冷端的高導(dǎo)無(wú)氧銅端 頭2,溫端與冷端之間，依次有錫磷青銅段3a、不銹鋼段3b，并相互真空硬釬 焊而構(gòu)成的復(fù)合分流器。它通常設(shè)計(jì)成圓筒狀(參見(jiàn)圖8， 18個(gè)槽共可放下90 個(gè)HTS疊)或可組成圓筒的1/12~1/18單元條。所述分流器再與數(shù)十個(gè)HTS疊1 進(jìn)行溫度低于30-40度的二次軟釬焊構(gòu)成高溫超導(dǎo)組件。
此復(fù)合分流器已應(yīng)用于ITER裝置的高溫超導(dǎo)電流引線設(shè)計(jì)，無(wú)論其68 kA 縱場(chǎng)線圈，52kA極向場(chǎng)，45kA中心螺管或10 kA校正場(chǎng)線圈等電流引線都采 用。各分流器的截面積與放電時(shí)間常數(shù)相關(guān)，與最大運(yùn)行電流成正比。分流器 可設(shè)計(jì)成圓筒狀，由錫磷青銅和不銹鋼管組成，二者之間可采用高溫真空釬焊。 分流器圓筒的兩端也與高導(dǎo)無(wú)氧銅真空釬焊。為便于HTS疊釬焊，在圓筒表面 開(kāi)槽。HTS疊的排列以垂直于超導(dǎo)帶寬面的磁場(chǎng)分量盡量小為原則，并且HTS疊 與分流器筒的軟釬焊的焊透率應(yīng)>95%,以保證電流和熱流的傳遞。軟釬焊焊料 可采用Sn-3. 5%Ag或Sn-3. 8%Ag-0. 7%Cu，其熔點(diǎn)分別為221和217卩。在77K 下電導(dǎo)率高。以68 kA電流引線的試件為例，分流器長(zhǎng)度0.31 m, HTS疊長(zhǎng)度 0.41 m，兩端與高導(dǎo)無(wú)氧銅的釬焊長(zhǎng)度分別為55和45 mm。分流器圓筒的不銹 鋼段長(zhǎng)度O. 11 m，截面積2730 mm2;錫磷青銅段長(zhǎng)度0. 2 m,截面積3130 mm2, 升溫至160 K的熱逃逸時(shí)間為16 s，大于要求的13 s。此分流器溫端65K，其 漏
權(quán)利要求
1、一種高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，包括溫端與冷端分別焊接有高導(dǎo)無(wú)氧銅端頭，其特征在于所述的溫端與冷端之間，依次有錫磷青銅段和不銹鋼段；所述無(wú)氧銅端頭、錫磷青銅段、不銹鋼段相鄰處真空硬釬焊連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，其特 征在于所述的錫磷青銅段、不銹鋼段之長(zhǎng)度比為2-3: 2。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，其特 征在于所述的分流器各部分與事先已軟焊接為一體的HTS疊的釬焊溫度低于 HTS疊釬料熔點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高安全性低漏熱高溫超導(dǎo)大電流引線的分流器，它與數(shù)十個(gè)已釬焊成一體的HTS疊焊接構(gòu)成HTS組件。分流器的溫端與冷端分別焊接有無(wú)氧銅端頭，溫端與冷端之間，依次有錫磷青銅段和不銹鋼段，都與HTS疊釬焊。所述無(wú)氧銅端頭、錫磷青銅段、不銹鋼段相鄰處都是硬釬焊連接。本發(fā)明通過(guò)選擇分流器材料和改進(jìn)結(jié)構(gòu)，即使電流引線失超，在磁體放電過(guò)程中高溫超導(dǎo)熱點(diǎn)溫度低于200K；并限制向5K的總漏熱低于0.2W/kA水平。本發(fā)明分流器傳導(dǎo)漏熱低，安全性高，適用于大型超導(dǎo)磁體的HTS電流引線，將應(yīng)用于磁體貯能量數(shù)十GJ水平的68kA電流引線。
文檔編號(hào)H01F6/06GK101409127SQ20081002114
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月25日
發(fā)明者丁開(kāi)忠, 林賢軍, 畢延芳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所