專利名稱：一種變截面電流引線的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種超導帶材臨界電流特性測試系統(tǒng)的變截面電流引線，屬于超導技術(shù)應 用領域。
背景技術(shù)：
高溫超導體的臨界特性測試實驗被譽為近代物理史上最為經(jīng)典的實驗之一。臨界電流 特性是超導體三個臨界特性之一。高溫超導體的臨界電流特性實驗通常將高溫超導帶材浸 泡于低溫液體(如液氮，液氦)中，通過改變磁場大小及磁場方向來測得不同的臨界電流 值。
電流引線在測量臨界電流特性實驗中起到十分重要的作用,用來連接室溫電源與超導 帶材，并給后者施加電流。這期間，引線低溫端面?zhèn)鬟f出來的熱量引起冷卻液體的蒸發(fā)， 蒸發(fā)出的冷氣體再繼續(xù)冷卻電流引線。在過冷液氮溫度64K下，釔系氧化物YBCO帶材 的臨界電流密度甚至可以達到數(shù)萬安培/平方厘米。大電流引起的焦耳熱以及由于引線兩端 的溫度差帶來的傳導漏熱將造成冷卻液體的大量蒸發(fā)，從而大大增加了冷卻成本。因此電 流弓I線的優(yōu)化設計就顯得非常重要了 。
由于引線處于室溫與低溫液體的溫度差中，引線越靠近低溫端位置，熱導率越大，電 阻率越小，從而造成傳導漏熱較大，焦耳熱較小，同時引線下部的冷卻氣體溫度最低，冷 卻能力較高，傳統(tǒng)的等截面電流引線并沒有利用上電流引線的這些特點，造成了冷卻氣體 的浪費，間接增加了冷卻成本。電流引線幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設計就是要通過對電流引線 熱平衡方程的求解來實現(xiàn)對電流引線的長度與截面積大小的優(yōu)化計算，使得引線低溫端面 漏出的熱量最小，減少冷卻介質(zhì)的消耗，降低冷卻成本。自1959年科學家McFee R.在 《Review of Scientific Instruments》雜志公開發(fā)表第一篇有關超導磁體用電流引線優(yōu)化設計 文章的近50年時間內(nèi)，各國從事超導應用研究的科技工作者和工程技術(shù)人員在電流引線 參數(shù)的優(yōu)化設計上做了大量的工作，從而出現(xiàn)了很多種計算方法，例如偏微分方程純解析 解法，分段計算方法，基于有限元軟件的數(shù)值計算方法等。這些方法中有些可以通用于大 部分的氣冷電流引線設計，有些則只針對一些特殊的工況?？偟膩碚f這些計算方法均是建立在對電流引線熱平衡方程求解的基礎上，結(jié)合具體的工況，對一些計算參數(shù)(如引線材 料的物性，引線與冷卻氣體的熱交換效率等)做一些合理的假設，從而得到一個較為接近 實際情況的優(yōu)化參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設計一種適用于釔系氧化物YBCO帶材臨界電流特性測試用的 氣冷變截面電流引線，應用改進的氣冷電流引線分段計算法對變截面電流引線的幾何 結(jié)構(gòu)參數(shù)做了優(yōu)化設計，本發(fā)明內(nèi)容包括
一種變截面電流引線，其特征在于，該電流引線具有沿長度方向上橫截面積進 行變化的結(jié)構(gòu)，所述橫截面積的變化方式使用氣冷電流引線分段計算方法進行計算 得到，并且由鉍系氧化物BSCCO超導帶材與銅絞線并聯(lián)而成的混合引線段連接于所 述電流引線末端與YBCO帶材之間。
依據(jù)本發(fā)明的變截面電流引線其特征在于所述電流引線是直銅棒。
依據(jù)本發(fā)明的變截面電流引線其特征在于所述氣冷電流引線分段計算方法包括 以下步驟
(1) 根據(jù)超導設備的實際結(jié)構(gòu)以及電流引線的工作環(huán)境確定計算初值，包括引 線室溫端截面半徑R，引線室溫端、低溫端溫度Th、 Tl，引線室溫端熱流Q0，液 氮蒸發(fā)率優(yōu)化值m，引線分段計算的分段數(shù)n，其中n為正整數(shù)；
(2) 設定引線截面半徑變化步長Ar，使得引線截面積逐段減小，構(gòu)建變截面 電流引線函數(shù)，第i段引線的截面積Si-n (R-iAr) 2，其中i為正整數(shù)；
(3) 從引線室溫端的第1段開始，通過氣冷電流引線熱平衡方程的數(shù)值求解， 逐段進行迭代計算，得到各段引線的最佳形狀因子AXl/Sl,AX2/S2,…，AXn/Sn和 各段引線的末端漏熱值Ql，Q2，…,Qn;
(4) 將Si與AXi/Si相乘即可得到各段引線的最佳長度，對其相加即可得到整 根引線的最佳長度X，由此可得變截面電流引線低溫端的截面積為Sn，優(yōu)化后引線 末端漏熱為Qn。
本發(fā)明設計的適用于YBCO帶材臨界電流特性測試實驗的氣冷變截面電流引線， 具有以下效果和優(yōu)點-
(1)充分考慮引線下部冷卻氣體溫度較低的特點，通過使用變截面結(jié)構(gòu)，增加引線下部的換熱量，提高引線下部冷卻氣體換熱效率，減少冷卻介質(zhì)消耗。
(2)在相同材料量，相同漏熱的條件下可以獲得更短的引線長度，以滿足超導 裝置日益小型化的特點。
(3)通過在直銅棒末端與YBCO帶材之間焊接一段由銅絞線與BSCCO帶材并 聯(lián)而成的混合引線，可以進一步減小處于冷卻液體中的引線段的發(fā)熱，減少冷卻介 質(zhì)消耗。


圖1示出了電流引線結(jié)構(gòu)分析計算模型；
圖2示出了電流引線分段計算模型示意圖3示出了電流引線漏熱與液氮蒸發(fā)率關系曲線；
圖4示出了變截面氣冷電流引線計算方法流程圖5示出了電流引線溫度分布仿真結(jié)果；
圖6示出了電流引線設計幾何尺寸參數(shù)，其中，1、直銅棒變截面電流引線；2、BSCCO 帶材與銅絞線混合引線段。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。為詳細描述本發(fā)明設計原理，圖1是一根典型的 氣冷電流引線的熱流分布圖，根據(jù)經(jīng)典傳熱學定律，可以分析得到各部分熱流如下
(1) 根據(jù)傅里葉熱傳導定律，可得電流引線任意位置X處截面通過的熱量為
2 = -"! (l) 血
式中，0是熱流量，指單位時間內(nèi)通過某一截面面積的熱量，單位為『；K為導熱系數(shù)或 熱導率，它反映物體的導熱能力，常由實驗測得，單位為欣《附"；^是引線截面積，即垂 直于導熱方向的截面面積，單位為w J77血為引線截面處的溫度梯度;負號表示熱量傳遞 方向與溫度梯度方向相反。
(2) 根據(jù)牛頓冷卻公式得到冷卻氣體與電流引線對流換熱量為
0 =磁7 =《~^ (2)
式中Zir是引線壁面溫度與冷卻氣體溫度之差的絕對值；j是對流換熱面積；A是對流換熱(3)電流引線通過電流/時產(chǎn)生的焦耳熱大小為
式中p為引線材料的電阻率，丄為引線長度，^為引線截面積。
根據(jù)能量守恒定律，我們可以得到氣冷電流引線的熱平衡方程如下
(3)
血,
(4)
血 "r血
圖2是氣冷電流引線分段計算方法微元分析示意圖，設將引線分成w段，并使每段引
線兩端的溫差都相等，令為^r，且設引線各處的截面積相等，于是
(5)
如果分段數(shù)足夠大，對于每一段引線材料的電阻率y9,，熱導率A,和冷卻氣體的比熱C, 可以近似的認為是常數(shù)。于是第；段引線滿足以下邊界條件的微分方程
A =^蕓+ ^義-/《,乂+1
對其求解可以得到第/段引線的溫度分布函數(shù)為
(6)
— 姨
汰
-x
汰
汰
整理得
將邊界條件帶入，可以解得
義
血+ 5
(7)尸,.
5 =
2
一C尸,./"附c尸,
/、p
竭-
(8)
/ m C尸,
'i+l
、廣/《,.x,.
一l
尸'八
(9)將式(9)整理得到從第/段引線末端流出的熱量&,
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
式中ay 為第/段引線的長度。另外，對于第/段引線，根據(jù)能量守恒定律，應滿足下列 方程
(11)
消去g/，整理得
<formula>formula see original document page 7</formula>
通過逐段引線的迭代計算，就可以求得各段引線的長橫比
AJ^ AX2 AX3 AX
和各段引線的漏熱
其中QM就是從電流引線下端流入低溫裝置的最小熱量，即
整個電流引線的最佳長橫比為各段引線長橫比之和，即
<formula>formula see original document page 7</formula>
(12)
<formula>formula see original document page 7</formula>(13)
<formula>formula see original document page 7</formula>(14)
自冷變截面電流引線計算方法是在引線的分段計算中加入一個截面積漸變函數(shù)，使得 引線的截面積逐段減小來達到構(gòu)建變截面引線的目的。
要計算最佳引線的形狀因子，首先需要求出引線尺寸最佳時由電流引線末端流入低溫 容器的熱量而引起的液氦蒸發(fā)率?？扇∫幌盗械獨饬髁恐涤嬎銖囊€末端流出的熱量，則 根據(jù)這組數(shù)據(jù)可繪出一條2=/(>^的曲線。同時對于自冷電流引線，液氮蒸發(fā)率與液氮潛熱 之間滿足線性函數(shù)關系0=附*(^，又可作一條曲線，兩條曲線交點處對應的橫坐標m值即為 自冷優(yōu)化引線的液氮蒸發(fā)率值。圖3畫出了這兩條曲線，交點即為所求的液氮蒸發(fā)率。
求得優(yōu)化引線的液氮蒸發(fā)率值后，即可開始根據(jù)分段計算方法計算分段引線每一段的 込與JX/S。同時設定一個引線室溫端截面積半徑初值i ，引線截面積半徑變化步^zlr，則s產(chǎn) r^-^^/,&與zoys相乘即可得到每段引線的長度zix,，相加即可得到優(yōu)化引線的總長度
義。圖4為計算方法的流程圖。
使用此計算方法對一個第二代YBCO高溫超導帶材臨界電流特性測試系統(tǒng)設計了一 根變截面電流引線。圖5為此電流引線在500A額定電流下電流引線的溫度分布仿真計算 結(jié)果。
此外，在直銅棒末端焊接一段由銅絞線與BSCCO超導帶材并聯(lián)焊接而成的混合引線 段。當BSCCO超導帶材浸泡于液氮之中，工作于超導態(tài)時，電流就會經(jīng)BSCCO超導帶 流入YBCO帶材之中，從而不產(chǎn)生焦耳熱。與單純使用銅絞線連接電流引線與YBCO帶 材情況相比，更進一步減少了電流引線的漏熱。
按照優(yōu)化計算所得的優(yōu)化設計尺寸制做了變截面電流引線，如圖6所示。 此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領域的技術(shù)人員來說在 不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例 證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1、一種變截面電流引線，其特征在于，該電流引線具有沿長度方向上橫截面積進行變化的結(jié)構(gòu)，所述橫截面積的變化方式使用氣冷電流引線分段計算方法進行計算得到，并且由鉍系氧化物BSCCO超導帶材與銅絞線并聯(lián)而成的混合引線段連接于所述電流引線末端與釔系氧化物YBCO帶材之間。
2、 如權(quán)利要求1所述的變截面電流引線，其特征在于所述電流引線是直銅棒。
3、 如權(quán)利要求2所述的變截面電流引線，其特征在于所述氣冷電流引線分段計算方 法包括以下步驟(1) 根據(jù)超導設備的實際結(jié)構(gòu)以及電流引線的工作環(huán)境確定計算初值，包括引線室 溫端截面半徑i ，引線室溫端、低溫端溫度7^、 7)，引線室溫端熱流2c，液氮 蒸發(fā)率優(yōu)化值m，引線分段計算的分段數(shù)"，其中w為正整數(shù)；(2) 設定引線截面半徑變化步長Jr，使得引線截面積逐段減小，構(gòu)建變截面電流引 線函數(shù)，第i段引線的截面積S產(chǎn);r (7 -""2，其中i為正整數(shù)；(3) 從引線室溫端的第1段開始，通過氣冷電流引線熱平衡方程的數(shù)值求解，逐段 進行迭代計算，得到各段引線的最佳形狀因子/^/^1￥2/&,...;/1;^&和各段引 線的末端漏熱值(4) 將&與z!X/S,相乘即可得到各段引線的最佳長度，對其相加即可得到整根引線的 最佳長度X由此可得變截面電流引線低溫端的截面積為S"，優(yōu)化后引線末端漏 熱為g 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種適用于高溫超導帶材臨界電流特性測試系統(tǒng)的變截面電流引線，屬于應用超導技術(shù)領域，包括直銅棒變截面電流引線，使用改進的氣冷電流引線分段計算法對變截面電流引線幾何參數(shù)進行了優(yōu)化設計；銅絞線與BSCCO帶材并聯(lián)焊接的混合引線段，用于連接所述直銅棒變截面引線末端與YBCO帶材。本發(fā)明設計的變截面電流引線具有漏熱小，冷卻效率高，節(jié)省引線材料和制冷成本的優(yōu)點。
文檔編號G01R1/06GK101446598SQ20081022718
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者明 丘, 田軍濤, 諸嘉慧, 斌 魏 申請人:中國電力科學研究院