專利名稱：一種超導(dǎo)磁體的電流引線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體電流引線。
背景技術(shù)：
上個世紀(jì)的80年代初，M.O.Hoenig提出了用制冷機(jī)冷卻NbSn3超導(dǎo)磁體的設(shè)想并對其進(jìn)行了概念設(shè)計，但真正實用化傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的成功研制則是九十年代的事情，這主要應(yīng)歸功于制冷機(jī)新型磁性蓄冷材料和高溫超導(dǎo)電流引線的使用。
傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)主要由超導(dǎo)磁體、G-M制冷機(jī)、低溫容器、電流引線、磁體電源及控制部件等組成。其核心技術(shù)是使用二級G-M制冷機(jī)直接冷卻超導(dǎo)磁體。較之液氦浸泡超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有操作簡單，無需復(fù)雜的液氦裝置，建造和使用費(fèi)用減低等諸多優(yōu)點，但也有其不足，突出表現(xiàn)在是G-M制冷機(jī)制冷功率有限，如SHI-SRDK415D型號的制冷機(jī)，一級冷頭制冷功率50K時為35W，而二級冷頭的制冷功率4.2K時只有1.5W。所以，對于傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，如何增加或減少相關(guān)部件的傳熱或絕熱就成為系統(tǒng)是否能研制成功的關(guān)鍵技術(shù)所在。
在各項漏熱中，電流引線的漏熱占了很大份額。電流引線的漏熱不僅包括傳導(dǎo)熱也包括焦耳熱。目前，正在使用的電流引線大多數(shù)為銅-高溫超導(dǎo)引線二元組合方式，銅引線工作在室溫和制冷機(jī)一級冷頭溫度之間，高溫超導(dǎo)電流引線工作在一級冷頭和二級冷頭溫度之間。這樣，銅引線的漏熱大部分可由一級冷頭帶走，而高溫超導(dǎo)電流引線則處在超導(dǎo)態(tài)，消除了焦耳熱；另一方面，高溫超導(dǎo)材料的熱導(dǎo)率很低，可減少沿引線的傳導(dǎo)漏熱。文獻(xiàn)中比較的結(jié)果，這種組合式電流引線的漏熱，可減少到只有原來銅電流引線漏熱的五分之一到十分之一的水平(Wesche and A.M.Fuchs，Design of superconductingcurrent leads，Cryogenics，1994 Volume 34，Number 2，p.145-154)。
盡管目前的電流引線已大幅度降低了漏熱，但它仍有如下缺點1，某些通電為幾百安培的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，制冷機(jī)一級冷頭的制冷功率不足，無法完全帶走銅引線的焦耳熱，從而導(dǎo)致冷屏溫度升高，磁體接受的輻射熱過大，嚴(yán)重時，可能導(dǎo)致超導(dǎo)磁體不能正常工作。
2，對通電為上千安培的裝置，如高溫超導(dǎo)樣品測試系統(tǒng)，其發(fā)熱量遠(yuǎn)不是一臺制冷機(jī)所能帶走的，對這樣大的電流引線，只能額外再安裝一臺G-M制冷機(jī)，這樣勢必會增加投入，且使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提出一種新的電流引線模式，即在目前銅-高溫超導(dǎo)電流引線二元結(jié)構(gòu)中串接半導(dǎo)體制冷組件，形成半導(dǎo)體制冷-銅-高溫超導(dǎo)電流引線三元結(jié)構(gòu)組合方式。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明在原超導(dǎo)磁體銅電流引線的室溫端串接一對半導(dǎo)體制冷組件，利用半導(dǎo)體制冷原理，可大幅降低銅電流引線高溫端的溫度達(dá)50K-100K左右，可減少外界向系統(tǒng)內(nèi)的漏熱達(dá)20％-30％。
半導(dǎo)體制冷組件主要由半導(dǎo)體制冷元件、銅接線鼻子和銅壓緊固定板組成。半導(dǎo)體制冷元件位于銅接線鼻子和銅壓緊固定板之間，通過緊固螺栓固定并壓緊在真空容器蓋板上。
本發(fā)明依據(jù)半導(dǎo)體制冷帕爾帖效應(yīng)原理P型半導(dǎo)體材料和N型半導(dǎo)體材料連接成熱電對，通以直流電制取冷量。由于P型半導(dǎo)體內(nèi)載流子(空穴)和N型半導(dǎo)體載流子(電子)與金屬銅板中所具有的載流子勢能不同，必然會在半導(dǎo)體材料與金屬片結(jié)點上發(fā)生能量的傳遞與轉(zhuǎn)換。因為P型半導(dǎo)體內(nèi)具有的勢能高于其在金屬片的勢能，在外電場作用下，當(dāng)空穴通過接點a時，需要從金屬片中吸取一定的熱量，用以提高自身的勢能，才能進(jìn)入P型半導(dǎo)體內(nèi)。因而在該接點a處溫度就會降低，形成冷接點。當(dāng)空穴進(jìn)入另一接點b時，需要多余的一部分勢能留給接點，才能進(jìn)入到金屬片中，這時該接點b處溫度會升高，形成熱接點。


圖1為帕爾帖效應(yīng)和熱電制冷器原理圖；圖2為應(yīng)用本發(fā)明的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中1超導(dǎo)磁體，2冷屏，3真空容器，4半導(dǎo)體制冷組件，5銅電流引線，6一級冷頭，7高溫超導(dǎo)電流引線組件，8二級冷頭，9導(dǎo)冷板，10導(dǎo)冷線；圖3為半導(dǎo)體制冷組件4的結(jié)構(gòu)圖，圖中3-1螺栓連接組件，3-2壓緊固定板，3-3緊固螺栓，3-4絕緣套管，3-5半導(dǎo)體制冷元件，3-6真空容器蓋板，3-7絕緣墊，3-8 O型密封圈，3-9絕緣套管，3-10接線鼻子，3-11冷卻水管，3-12緊固螺栓，3-13絕緣套管。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明
圖1為帕爾帖效應(yīng)和熱電制冷原理圖。當(dāng)一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)成熱電對時，在這個電路中接通直流電流后，就能發(fā)生能量的轉(zhuǎn)移，電流由N型元件流向P型元件的接頭，吸收熱量，成為冷端；由P型元件流向N型元件的接頭釋放熱量，成為熱端。
在溫差制冷電路中引入第三種材料不會改變電路性質(zhì)，故可將銅電流引線、高溫超導(dǎo)電流引線和超導(dǎo)磁體串接在溫差電制冷回路中。
制冷量與電流的關(guān)系為Q=(αP-αn)T1I-I2R2-K(Th-Tc)]]>Q制冷量 (W)αP，αn熱電系數(shù)(V/K)Tc冷端溫度 (K)Th熱端溫度 (K)I電流 (A)R電阻 (Ω)K＝(λpSp+λnSn)/Lλp，λn熱導(dǎo)率 (W/mK)Sp，S2n截面積(m2)L厚度(m)若兩半導(dǎo)體制冷元件的幾何尺寸，熱導(dǎo)率 電導(dǎo)率，及熱電系數(shù)均相等，則熱端與冷端的最大溫差可表示為(Th-Tc)MAX=12α2λρTc2]]>式中ρ電阻率(Ωm)λ熱導(dǎo)率(W/mK)圖2為應(yīng)用本發(fā)明的傳導(dǎo)冷卻超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。
超導(dǎo)磁體1經(jīng)導(dǎo)冷板9和導(dǎo)冷線10被制冷機(jī)二級冷頭8冷卻并經(jīng)拉桿吊裝在冷屏2上；冷屏2被制冷機(jī)一級冷頭6冷卻并經(jīng)拉桿吊裝在真空容器3上。
銅電流引線5與高溫超導(dǎo)電流引線組件7的連接點，安裝在冷屏2上并被一級冷頭6冷卻；高溫超導(dǎo)電流引線組件7下端與磁體出線頭相連后安裝在導(dǎo)冷板9上并被二級冷頭8冷卻。
冷屏2的作用是減少真空容器3對超導(dǎo)磁體1的輻射漏熱。
導(dǎo)冷板9與導(dǎo)冷線10均由銅材料制作，其目的是把二級冷頭8的冷量傳導(dǎo)給超導(dǎo)磁體1和高溫超導(dǎo)電流引線7。
半導(dǎo)體制冷組件4安裝在銅電流引線5的室溫端，位于銅接線鼻子和銅壓緊固定板之間，通過緊固螺栓固定在真空容器3的蓋板上。
為使圖面清晰，在圖2僅畫出了半導(dǎo)體制冷組件-銅引線-高溫超導(dǎo)電流引線一條回路，此處的半導(dǎo)體制冷組件4，既可理解是P型也可理解成是N型。
因為高溫超導(dǎo)電流引線組件7由陶瓷材料構(gòu)成，低溫下的熱導(dǎo)率比銅低100倍，而低溫下電阻率幾乎為零，故由高溫超導(dǎo)電流引線組件7引起的漏熱可忽略不計。所以，對于圖2所示的本發(fā)明半導(dǎo)體制冷、銅電流引線和高溫超導(dǎo)電流引線組合，可用下面的能量平衡方程描述ddx(kSdTdx)-I(TdαdT)dTdx+I2λS=0]]>方程中符號意義同前。
將方程分別應(yīng)用到半導(dǎo)體制冷組件4和銅電流引線5，可求出半導(dǎo)體制冷組件4和銅電流引線5接點處的溫度TJ。
對于遵守Wiedemann-Franz定律的純金屬銅，λ(T)ρ(T)＝L0TL0是洛侖茲常數(shù)，2.445×10-8V2K-2則銅引線的漏熱有最簡化的形式QOPTI=L0(TJ2-TL2)]]>TJ為半導(dǎo)體制冷組件與銅引線接頭的溫度TL為銅電流引線與冷屏接點的溫度在半導(dǎo)體制冷的作用下，TJ溫度降低，故在磁體電流I一定時，可顯著減少銅引線的漏熱QOPT。
如果磁體工作電流超過了半導(dǎo)體制冷組件4的最大工作電流，可在半導(dǎo)體制冷組件4中安裝適量的半導(dǎo)體制冷元件3-5。為了通大電流，可將多個半導(dǎo)體制冷元件3-5并聯(lián)使用，可采取并排布置。半導(dǎo)體制冷元件3-5的使用數(shù)量和下面四個因素有關(guān)(1)磁體工作電流；(2)制冷機(jī)的制冷功率；(3)裝置的全部漏熱；(4)半導(dǎo)體制冷元件的最大工作電流。
圖3為半導(dǎo)體制冷組件4(即圖2的I處)結(jié)構(gòu)圖。
本發(fā)明具體實施方式
使用一對(兩個)半導(dǎo)體制冷組件4，一個半導(dǎo)體制冷組件4中若放置P型半導(dǎo)體制冷元件3-5，另一個組件中則放置N型半導(dǎo)體制冷元件3-5。
半導(dǎo)體制冷組件4主要由半導(dǎo)體制冷元件3-5、銅接線鼻子3-10和銅壓緊固定板3-2等組成，如圖3所示，半導(dǎo)體制冷元件3-5的上端面與銅接線鼻子3-10的下端面，以及半導(dǎo)體制冷元件3-5的下端面與銅壓緊固定板3-2的上端面均通過緊固螺栓3-3壓緊在真空容器蓋板3-6上。緊固螺栓3-3通過絕緣套管3-4與銅壓緊固定板3-2構(gòu)成電絕緣。
銅接線鼻子3-10帶有冷卻水管3-11并通過緊固螺栓3-12壓緊在真空容器蓋板3-6上。緊固螺栓3-12與真空容器蓋板3-6之間有電絕緣套管3-13。銅接線鼻子3-10依靠絕緣套管3-9和絕緣墊3-7與真空容器蓋板3-6形成電絕緣，依靠O型密封圈3-8構(gòu)成真空密封。
銅壓緊固定板3-2與銅電流引線5依靠螺栓連接組件3-1擰緊。
本發(fā)明使用一對半導(dǎo)體制冷元件P型半導(dǎo)體Bi0.52Sb1.48Te3N型半導(dǎo)體Bi2Te2.4Se0.6技術(shù)參數(shù)為α＝0.2×10-3V/Kρ＝1.19×10-5Ωm(電阻率)λ＝1.5W/mKs＝144mm2L＝2.8mm本發(fā)明的工作過程是當(dāng)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包括電流引線裝配好后，先用真空機(jī)組對系統(tǒng)抽真空，達(dá)到10-1Pa后，開動制冷機(jī)對磁體系統(tǒng)的各個部件進(jìn)行冷卻，同時對超導(dǎo)磁體1與整個系統(tǒng)進(jìn)行溫度監(jiān)測，待磁體1冷卻到4K時，給磁體1通電勵磁。在磁體通電勵磁的過程中，由于半導(dǎo)體組件4的制冷作用，銅引線5上端與半導(dǎo)體制冷組件4接頭處溫度大幅度降低，從而降低了銅引線對系統(tǒng)的漏熱，減少了對制冷機(jī)一級冷頭6冷量的需求。也可以說，在其他條件都不變的情況下，由于使用了半導(dǎo)體制冷組件4，可極大的提高電流引線的通電能力。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁體的電流引線，包括銅引線[5]和與之連接的高溫超導(dǎo)電流引線組件[7]，其特征在于銅電流引線[5]的室溫端串接一對半導(dǎo)體制冷組件[4]；半導(dǎo)體制冷組件[4]主要由半導(dǎo)體制冷元件[3-5]、銅接線鼻子[3-10]和銅壓緊固定板[3-2]組成，半導(dǎo)體制冷元件[3-5]位于銅接線鼻子[3-10]和銅壓緊固定板[3-2]之間；一個半導(dǎo)體制冷組件[4]中若放置P型半導(dǎo)體制冷元件[3-5]，另一個半導(dǎo)體制冷組件[4]中則放置N型半導(dǎo)體制冷元件[3-5]。
2.按照權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體的電流引線，其特征在于半導(dǎo)體制冷元件[3-5]的上端面與銅接線鼻子[3-10]的下端面，以及半導(dǎo)體制冷元件[3-5]的下端面與銅壓緊固定板[3-2]的上端面均通過緊固螺栓[3-3]壓緊在真空容器蓋板[3-6]上；緊固螺栓[3-3]通過絕緣套管[3-4]與銅壓緊固定板[3-2]構(gòu)成電絕緣；銅接線鼻子[3-10]帶有冷卻水管[3-11]，并通過緊固螺栓[3-12]壓緊在真空容器蓋板[3-6]上；緊固螺栓[3-12]與真空容器蓋板[3-6]之間有電絕緣套管[3-13]；銅接線鼻子[3-10]依靠絕緣套管[3-9]和絕緣墊[3-7]與真空容器蓋板[3-6]形成電絕緣，依靠O型密封圈[3-8]構(gòu)成真空密封；銅壓緊固定板[3-2]與銅電流引線[5]依靠螺栓連接組件[3-1]擰緊。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)磁體的電流引線，其特征在于半導(dǎo)體制冷組件[4]中可安裝多個半導(dǎo)體制冷元件[3-5]。
全文摘要
一種超導(dǎo)磁體的電流引線，包括銅引線[5]與高溫超導(dǎo)電流引線組件[7]，其特征在于銅電流引線[5]的室溫端串接一對半導(dǎo)體制冷組件[4]，由此構(gòu)成半導(dǎo)體制冷組件[4]、銅引線[5]與高溫超導(dǎo)電流引線組件[7]的組合電流引線；半導(dǎo)體制冷組件[4]主要由半導(dǎo)體制冷元件[3－5]、銅接線鼻子[3－10]和銅壓緊固定板[3－2]組成；本發(fā)明可使銅引線[5]上端與銅壓緊固定板[3－2]接頭處溫度大幅度降低，降低了銅引線[5]對系統(tǒng)的漏熱，減少了對制冷機(jī)一級冷頭[6]冷量的需求，可極大的提高電流引線的通電能力。
文檔編號F25B21/02GK1983472SQ200510130608
公開日2007年6月20日 申請日期2005年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月15日
發(fā)明者趙保志, 王秋良, 戴銀明, 宋守森, 雷沅忠, 王厚生 申請人:中國科學(xué)院電工研究所