專(zhuān)利名稱(chēng)：一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，屬于超導(dǎo)電工應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明提供了一種新型的電流引線傳輸系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的電流引線傳輸系統(tǒng)，在相同超 導(dǎo)材料使用量的情況下，可大幅度的提高電流引線的載流能力。而在相同載流能力的前提下， 可大幅度減少超導(dǎo)材料的使用量，進(jìn)而可減小電流傳輸系統(tǒng)對(duì)制冷功率的需求。
電流引線是一種連接大型低溫超導(dǎo)磁體，低溫超導(dǎo)裝置與電流源之間的電流傳輸裝置。 其中大型低溫超導(dǎo)磁體多工作在極低的溫度(<15K)下,而電流源一般工作在室溫下(300K)。 由于兩者的工作溫區(qū)相差很大，同時(shí)由于工作在低溫狀態(tài)下的超導(dǎo)磁體對(duì)于熱擾動(dòng)十分敏感。 這就對(duì)它們之間的供電連接部件的功率消耗，以及漏熱提出了很高的要求。高溫超導(dǎo)導(dǎo)線具 有可無(wú)損耗承載大電流的優(yōu)點(diǎn)，這種優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在兩方面， 一方面，超導(dǎo)導(dǎo)線攜帶的電流低于 臨界電流時(shí)，導(dǎo)線的直流歐姆損耗可近似為零，另一方面它單位面積上可承載的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大 于常規(guī)導(dǎo)體，因此在攜帶相同電流量的情況下，高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的材料使用量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的小于常 規(guī)導(dǎo)體。因此利用高溫超導(dǎo)導(dǎo)線制作的電流引線，具有載流量大、體積小、重量輕，漏熱小 的特點(diǎn)，這對(duì)于降低系統(tǒng)制冷功率具有明顯的改善效果。自從1987年高溫超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)以來(lái)， 它在電流引線上的應(yīng)用就成為了研究熱點(diǎn)。
大體上來(lái)講，高溫超導(dǎo)電流引線從制作工藝上可分為兩種， 一種是利用Bi2212粉體材料 經(jīng)過(guò)填裝，成型，整體燒結(jié)制成的棒狀結(jié)構(gòu)。另外一種是利用已經(jīng)得到工業(yè)化生產(chǎn)的 Bi2223/Ag多芯超導(dǎo)帶材，經(jīng)過(guò)多根帶材疊加制成電流引線。這種疊加式的電流引線是目前 應(yīng)用最為廣泛的電流引線，已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)大型低溫超導(dǎo)磁體裝置。最為著名是2004年為國(guó) 際熱核聚變裝置(ITER)TF線圈設(shè)計(jì)的電流引線。該電流引線利用接觸式制冷，可承載70KA 電流，并在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中達(dá)到目前為至的高溫超導(dǎo)電流引線的通流世界記錄80KA。
目前針對(duì)提高高溫超導(dǎo)電流引線的優(yōu)化工作也已經(jīng)展開(kāi)，主要的優(yōu)化工作大體上可分為
兩種。 一種是通過(guò)改變高溫超導(dǎo)材料的外層包覆材料。常規(guī)的Bi2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線外層包 覆銀合金材料，這種材料的熱導(dǎo)率大，導(dǎo)致漏熱很大，所以針對(duì)電流引線的使用，開(kāi)發(fā)出以 銀金合金為包覆材料的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，由于金銀合金的熱導(dǎo)率很小，所以系統(tǒng)漏熱可大幅度 降低。另外一種優(yōu)化方式是通過(guò)優(yōu)化帶材的疊放結(jié)構(gòu)，盡量提高帶材的使用效率實(shí)現(xiàn)的。由 于高溫超導(dǎo)材料本身具有強(qiáng)烈的磁場(chǎng)依賴(lài)特性和各項(xiàng)異性特性，磁場(chǎng)越高，高溫超導(dǎo)材料的 通流能力就越低。通過(guò)優(yōu)化帶材排列，比如拉大帶材之間的間距可減小之間的耦合磁場(chǎng)，從 而提高帶材的使用效率。
作為一個(gè)電流引線傳輸系統(tǒng)，等量的電流輸入和輸出是必然的要求。傳統(tǒng)的電流引線傳 輸系統(tǒng)是由兩根獨(dú)立的電流引線組成的，兩根電流引線多以平行的方式放置，其中一根負(fù)責(zé)
電流的輸入，另外一根負(fù)責(zé)電流的輸出。這種電流引線最大的缺點(diǎn)在于電流引線所通電流
越大，自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)就越強(qiáng)，由于高溫超導(dǎo)材料的磁場(chǎng)依賴(lài)特性，自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)降低 高溫超導(dǎo)材料的臨界電流，無(wú)形中造成了系統(tǒng)通流能力的降低。針對(duì)這種缺點(diǎn)，我們提出了 一種雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于通過(guò)一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，提高電流引線傳輸系 統(tǒng)的整體通流能力。
一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由兩根同軸電流引線及供電電路組成; 每一根電流引線均是由內(nèi)部和外部通流層組成的；內(nèi)部與外部通流層以同軸結(jié)構(gòu)放置，其中 內(nèi)部與外部通流層攜帶的電流方向相反；每一根同軸電流引線的內(nèi)部通流層和另一根同軸電 流引線的外部通流層并聯(lián)；該雙子同軸電流引線其中一根電流引線的內(nèi)部通流層與另外一根 電流引線的外部通流層并連形成一通流組合，負(fù)責(zé)電流輸入，同樣的，另外一個(gè)通流組合負(fù) 責(zé)電流輸出；兩根電流引線分別接在供電電路和超導(dǎo)裝置兩端。
通流層是由多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線以疊加的方式組成的，疊加方式可根據(jù)具體帶材的各向異 性特性結(jié)合應(yīng)用當(dāng)中的實(shí)際情況決定。計(jì)算表明無(wú)論采用何種疊加方式，何種高溫超導(dǎo)帶材， 該同軸電流引線結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)的非同軸結(jié)構(gòu)，都可以大幅度的提高電流引線傳輸系統(tǒng)的整 體通流能力。
本發(fā)明每根同軸電流引線由兩個(gè)通流層組成，兩個(gè)通流層以同軸結(jié)構(gòu)放置，內(nèi)部與外部
通流層所通電流的方向相反。在內(nèi)部與外部同流層電流達(dá)到一定比例的情況下，內(nèi)部通流層 產(chǎn)生的磁場(chǎng)可部分抵消外部通流層的磁場(chǎng)，從而可提高外部通流層的臨界電流。為了保證輸 入電流與輸出電流的匹配，我們引入雙子結(jié)構(gòu)，其中一根同軸電流引線的內(nèi)部通流層與另外 一根同軸電流引線的外部通流層并聯(lián)形成通流組合，通過(guò)這種通流組合的方式可實(shí)現(xiàn)整個(gè)電 流引線傳輸系統(tǒng)的性能提高。本發(fā)明的理論依據(jù)在于，由于高溫超導(dǎo)材料具有獨(dú)特的磁場(chǎng)依 賴(lài)特性，具體而言，磁場(chǎng)越大，臨界電流越小。利用高溫超導(dǎo)材料制成的電流引線會(huì)由于自 身產(chǎn)生磁場(chǎng)降低材料的臨界電流。本發(fā)明利用一種同軸電流引線結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)部通流層產(chǎn)生 的磁場(chǎng)，部分抵消外部通流層上的磁場(chǎng)，從而達(dá)到提高外部通流層臨界電流的目的。同時(shí)計(jì) 算表明，只有內(nèi)部與外部通流層電流量達(dá)到一定比值的情況下，外部通流層臨界電流才會(huì)提 高。對(duì)于電流傳輸系統(tǒng)，等量的電路輸入和輸出是必然的要求，利用單根同軸電流引線的結(jié) 構(gòu)是無(wú)法達(dá)到提高臨界電流的效果。因此，本發(fā)明提出一種雙子同軸電流引線結(jié)構(gòu)，通過(guò)通 流組合的方式提高整個(gè)系統(tǒng)的通流能力。
當(dāng)內(nèi)部通流層與外部通流層攜帶電流量比值達(dá)到某一特征值的時(shí)候，系統(tǒng)臨界電流能夠 達(dá)到最大值，為達(dá)這一目的，供電電路可采用控制分流電阻的相對(duì)阻值實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部和外部通 流層所通電流的精確控制。
傳輸系統(tǒng)整體通流能力的提高可體現(xiàn)為兩個(gè)方面
第一，在相同的高溫超導(dǎo)帶材使用量條件下，相比傳統(tǒng)電流引線，雙子同軸電流引線傳 輸系統(tǒng)可大幅度提高系統(tǒng)的載流能力，
第二，在相同臨界電流的情況下，利用雙子同軸電流引線結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)電流引線，系 統(tǒng)的高溫帶材使用量可大幅減少，從而減小系統(tǒng)漏熱，降低制造成本。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)一致的同軸電流引線組成。其中l(wèi)為同軸電
流引線內(nèi)部通流層，2為同軸電流引線外部通流層，3為冷卻媒質(zhì)通道，4為內(nèi)部通流層與外 部通流層形成通流組合，5為電源，6為低溫超導(dǎo)磁體或其它超導(dǎo)裝置。
圖2是通流層帶材疊放結(jié)構(gòu)示意圖。通流層由多個(gè)高溫超導(dǎo)通流包7以正多邊形結(jié)構(gòu)放 置組成，其中高溫超導(dǎo)通流包是由多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)疊加形成的。
圖3選用的Bi2223多芯高溫超導(dǎo)導(dǎo)線截面光鏡照片。
圖4Bi2223高溫超導(dǎo)導(dǎo)線臨界電流隨磁場(chǎng)變化曲線(77K下)。
圖5在電流引線半徑4cm，不同超導(dǎo)層厚度下，外部通流層臨界電流隨內(nèi)部通流層電流 變化的關(guān)系曲線。
圖6在電流引線半徑4cm，雙子電流引線傳輸系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)電流引線傳輸系統(tǒng)臨界電 流的提高隨電流層厚度的變化。
圖7本發(fā)明供電電路示意圖。其中5為電流源，6為磁體，8為分流電阻，9為內(nèi)部通流 層，IO為外部通流層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施方式
說(shuō)明本發(fā)明。
圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。其中，l為同軸電流引線內(nèi)部通流層，2為同軸電流引線外部 通流層，3為冷卻媒質(zhì)通道，4為內(nèi)部通流層與外部通流層形成通流組合。5為電源，6為低 溫超導(dǎo)磁體或者其它超導(dǎo)裝置。如圖1所示，本發(fā)明由兩根同軸電流引線以及相應(yīng)的供電電 路組成；兩根同軸電流引線結(jié)構(gòu)相同，編號(hào)A，B，其中，同軸電流引線A的內(nèi)部通流層1，與 同軸電流引線B的外部通流層2共同組成一個(gè)通流組合4，承載輸入電流。相同的，同軸電 流引線B的內(nèi)部通流層1與同軸電流引線A的外部通流層共同組成另外一個(gè)通流組合，承載 輸出電流。內(nèi)部與外部通流層之間的管道3可作為冷卻煤質(zhì)通道。電流源5通過(guò)兩根電流引 線與超導(dǎo)裝置6相連。
內(nèi)部通流層與外部通流層l， 2是利用多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)疊加的方式組成的。疊加 的結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)疊放組成通流包。接下來(lái)多個(gè)通流包以正多 邊形的方式固定在通流層的內(nèi)部。通流層的內(nèi)壁與外壁選用不銹鋼材料加固。在此處(實(shí)施 例中)，選用的高溫超導(dǎo)導(dǎo)線為Bi2223/Ag多芯高溫超導(dǎo)導(dǎo)線。選用材料的橫截面照片如圖 3所示。該高溫超導(dǎo)導(dǎo)線一個(gè)重要特性就是它的臨界電流會(huì)隨著外加磁場(chǎng)的增加而降低，另 外一個(gè)重要的特性就是材料的各項(xiàng)異性特性。如圖4所示，帶材臨界電流隨磁場(chǎng)變化在垂直 場(chǎng)與平行場(chǎng)下并不一致。其中在平行場(chǎng)下臨界電流隨磁場(chǎng)的降低明顯低于垂直場(chǎng)?；谠撎?性，我們確立疊放結(jié)構(gòu)時(shí)選用了如圖2所示的結(jié)構(gòu)，其出發(fā)點(diǎn)就是為了使帶材盡量避免暴露 在垂直場(chǎng)下，從而盡可能的提高超導(dǎo)導(dǎo)線的使用效率。
為了說(shuō)明雙子同軸電流引線的優(yōu)越性，進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。數(shù)值模擬分析計(jì)算了外部
通流層的臨界電流隨內(nèi)部通流層電流變化的關(guān)系。并討論了電流引線尺寸效應(yīng)的影響。圖5 顯示了電流引線半徑為4cm,不同超導(dǎo)層厚度下，電流引線外部臨界電流(I。。)隨內(nèi)部電流(IiJ 變化的曲線。內(nèi)部電流從-2I。變化至I。，這里的負(fù)號(hào)表明內(nèi)部與外部電流相反。曲線利用I。 進(jìn)行歸一化處理，1。為外部通流層在無(wú)任何內(nèi)部電流即1^0下的臨界電流。圖上的實(shí)線為電 流負(fù)載線，代表1=_乙，該實(shí)線與1。。(IJ曲線的交點(diǎn)代表內(nèi)部與外部通流層攜帶等量電流(串 聯(lián))情況下所能達(dá)到的臨界電流?？梢钥闯鲈诖?lián)情況下，外部通流層上的臨界電流相對(duì)于
1。沒(méi)有任何提高。外部通流層臨界電流的提高發(fā)生在內(nèi)部通流層電流一i?！磇〈o的區(qū)間。外部
通流層達(dá)到最大臨界電流的點(diǎn)我們定義為I,此時(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部通流層上的電流我們定義為 Iinm。由以上分析得知，單根同軸電流引線對(duì)于電流傳輸系統(tǒng)來(lái)講是無(wú)法帶來(lái)任何臨界電流的 提高的。因此提出了如本發(fā)明的雙子同軸電流引線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如圖l所示)，其核心思想是: 電流傳輸系統(tǒng)由兩根同軸電流引線組成，兩根同軸電流引線結(jié)構(gòu)相同，編號(hào)為A,B。其中同 軸電流引線A的內(nèi)部通流層1，與同軸電流引線B的外部通流層2共同組成一個(gè)通流組合4， 承載輸入電流。與此同時(shí)，同軸電流引線B的內(nèi)部通流層與同軸電流引線A的外部通流層共 同組成另外一個(gè)通流組合，承載輸出電流。為了說(shuō)明雙子同軸電路引線的優(yōu)越性，我們進(jìn)行 了兩個(gè)對(duì)比計(jì)算；計(jì)算一為雙子電流引線傳輸系統(tǒng)所能攜帶的臨界電流，記為1。p。計(jì)算二為 當(dāng)內(nèi)部和外部通流層攜帶同一方向電流時(shí)候的臨界電流，記為I。t。 I"際上代表了傳統(tǒng)電流引 線的通流能力。在電流引線半徑為4cm情況下，"與Id隨電流引線超導(dǎo)層厚度變化的曲線如 圖6所示。由圖6可以看出，在相同厚度的情況下雙子同軸電流引線相對(duì)于傳統(tǒng)電流引線臨 界電流有明顯提高。并且隨著超導(dǎo)層厚度的增加，臨界電流的提高越為明顯。由圖6還可以 看出，在相同臨界電流情況下，利用雙子同軸電流引線其所需的高溫帶材厚度有明顯的減少。 除此之外，雙子同軸電流引線結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)好處就是，雖然系統(tǒng)的臨界電流增加，但對(duì)于 其中每一根電流引線，由于內(nèi)外通流層上的電流方向相反，凈電流實(shí)際上是減小的。這樣每 一根電流引線在外圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)實(shí)際上是減少了，這就使得兩根超導(dǎo)電流引線可以比較 近的方式安裝，而不用擔(dān)心它們之間產(chǎn)生磁場(chǎng)的相互干擾。
由以上分析可知，只有當(dāng)內(nèi)部通流層電流處于一I?！碖O區(qū)間的時(shí)候，外部通流層上的 臨界電流才能夠提高。并且由圖5可以找到最佳的內(nèi)部通流層工作點(diǎn)，以及相應(yīng)的外部通流 層所能達(dá)到的最大臨界電流。為了精確控制內(nèi)外層電流，可采用電阻型分流電路，如圖7所 示。內(nèi)部通流層9與外部通流層10上的電流通過(guò)調(diào)整分流電阻8之間的阻值實(shí)現(xiàn)精確控制。
權(quán)利要求
1、一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，該傳輸系統(tǒng)包括兩根同軸電流引線和供電電路；每一根同軸電流引線均由內(nèi)部和外部通流層組成，內(nèi)部與外部通流層以同軸結(jié)構(gòu)放置，內(nèi)部與外部通流層攜帶的電流方向相反；該雙子同軸電流引線其中一根電流引線的內(nèi)部通流層與另外一根電流引線的外部通流層并連形成一通流組合連接供電電路一端；該根雙子同軸電流引線的外部通流層與另外一根電流引線的內(nèi)部通流層并連形成另一通流組合連接供電電路的另一端；所述兩個(gè)并聯(lián)通流組合各自的另一端接超導(dǎo)裝置兩端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 單根同軸電流引線內(nèi)部與外部通流層之間有管道為冷卻煤質(zhì)通道。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 內(nèi)部通流層與外部通流層分別串聯(lián)有電阻。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 內(nèi)部通流層或外部通流層是利用多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線經(jīng)過(guò)疊加的方式組成，多根高溫超導(dǎo)導(dǎo)線 先經(jīng)過(guò)疊放組成通流包，接下來(lái)多個(gè)通流包以正多邊形的方式固定在通流層內(nèi)部，通流層的內(nèi) 壁與外壁選用不銹鋼材料加固。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，其特征在于，所述 內(nèi)部通流層和外部通流層通流層為Bi2223/Ag多芯超導(dǎo)導(dǎo)線或YBC0覆膜導(dǎo)線或Bi2212高溫 超導(dǎo)材料導(dǎo)線之中的任意一種。
全文摘要
一種高溫超導(dǎo)雙子同軸電流引線傳輸系統(tǒng)，屬于超導(dǎo)電工應(yīng)用領(lǐng)域。該傳輸系統(tǒng)包括兩根同軸電流引線和供電電路，每一根同軸電流引線均由內(nèi)部和外部通流層組成，內(nèi)部與外部通流層同軸結(jié)構(gòu)放置，內(nèi)部與外部通流層攜帶的電流方向相反；每一根同軸電流引線的內(nèi)部通流層和另一根同軸電流引線的外部通流層并聯(lián)形成通流組合；所述通流組合分別連接在供電電路和超導(dǎo)裝置的兩端構(gòu)成回路。所述內(nèi)部通流層與外部通流層還可分別串聯(lián)電阻。本發(fā)明在相同的高溫超導(dǎo)帶材使用量條件下，相比傳統(tǒng)電流引線，本發(fā)明可大幅度提高系統(tǒng)的載流能力；在相同臨界電流的情況下，相比傳統(tǒng)電流引線，本發(fā)明的高溫帶材使用量大幅減少，從而減小系統(tǒng)漏熱、降低制造成本。
文檔編號(hào)H01L39/12GK101364458SQ20081011491
公開(kāi)日2009年2月11日 申請(qǐng)日期2008年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月13日
發(fā)明者晨 顧 申請(qǐng)人:清華大學(xué)