專利名稱：超導(dǎo)磁體的電流引線系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超導(dǎo)磁體的引線系統(tǒng)，尤其是涉及一種帶有低溫制冷系統(tǒng)的 超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，以將一電流引線與超導(dǎo)磁體電連接的一端保持在低溫。
背景技術(shù)：
當(dāng)超導(dǎo)磁體被保持在合適的低溫時(shí)(以下簡(jiǎn)稱“超導(dǎo)溫度”)，用超導(dǎo)磁體傳輸電 流，其上的電阻為零。然而，如果環(huán)境溫度高于超導(dǎo)溫度，磁體電阻上升，將會(huì)產(chǎn)生損耗。因 此，需要為超導(dǎo)磁體配置冷卻裝置以確保超導(dǎo)磁體在超導(dǎo)溫度下工作。超導(dǎo)磁體包括超導(dǎo)線圈，超導(dǎo)線圈經(jīng)由電流引線與一電源設(shè)備電連接。電流引線 的一端與超導(dǎo)線圈電連接，另一端與所述電源設(shè)備電連接。因?yàn)樵趧?lì)磁過程中，電流引線產(chǎn) 生的焦耳熱(或者歐姆熱)有可能傳導(dǎo)給超導(dǎo)線圈。因此，需要使用低溫制冷裝置來(lái)冷卻 所述電流引線與超導(dǎo)線圈電連接的那一端(以下簡(jiǎn)稱“冷端”)，而與電源設(shè)備電連接的另 一端相應(yīng)稱為“熱端”。一種現(xiàn)在電流引線的制冷裝置，包括一導(dǎo)熱件，該導(dǎo)熱件與所述電流引線的冷端 熱耦合，但是與該冷端電絕緣。為了具備好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱件通常由例如銅、鋁之類的金屬 材料制成。從而，為了保持導(dǎo)熱件與電流引線冷端的電隔離，需要在其間設(shè)置陶瓷墊之類的 絕緣墊片。這些絕緣墊片被焊接在導(dǎo)熱件，并盡可能的降低其間的熱阻。但是，絕緣墊片的 熱阻會(huì)隨著熱傳導(dǎo)通路溫度的降低而升高。此外，絕緣墊片與導(dǎo)熱件的焊接可能會(huì)因?yàn)闄C(jī) 械應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用而斷裂，從而導(dǎo)致冷卻的不可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種超導(dǎo)磁體的電流引線系統(tǒng)，其具有簡(jiǎn)單、可靠的冷端 低溫制冷系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供一種超導(dǎo)磁體的引線系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一電流引線、 至少一個(gè)與電流引線的一端熱耦合的導(dǎo)熱件、至少一個(gè)貫穿導(dǎo)熱件的冷卻劑通路、以及一 個(gè)冷卻劑制冷源。所述冷卻劑通道包含至少一個(gè)連接口，所述冷卻劑制冷源通過冷卻劑通 道的連接口與冷卻劑通路相連通。本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供一種超導(dǎo)磁體的電流引線系統(tǒng)，該超導(dǎo)磁體系統(tǒng)包 括至少一個(gè)超導(dǎo)線圈、正極電流引線和負(fù)極電流引線、以及一低溫制冷系統(tǒng)。所述超導(dǎo)線圈 包括正極和負(fù)極，而所正極電流引線和負(fù)極電流引線一端分別與相應(yīng)的超導(dǎo)磁體正、負(fù)極 電連接。所述低溫制冷系統(tǒng)包括至少一個(gè)與正極、負(fù)極電流引線所述一端相熱耦合且機(jī)械 連接的導(dǎo)熱件、以及至少一貫穿導(dǎo)所述熱件中的冷卻劑通路。本發(fā)明的又一個(gè)方面在于提供一種冷卻方法，該方法包括將一導(dǎo)熱件與一電流引 線的一端機(jī)械連接，并使其熱耦合；將至少一個(gè)連接管與導(dǎo)熱件上的通孔相連通，從而在連 接管與所述導(dǎo)熱件上的通孔內(nèi)形成一條冷卻劑通路；以及通過連接管使一液體冷卻劑流入 導(dǎo)熱件上的通孔。


通過結(jié)合附圖對(duì)于本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖 中圖1所示是一個(gè)超導(dǎo)磁體的示意圖，該超導(dǎo)磁體包括纏繞在軸上的超導(dǎo)線圈；圖2所示為一超導(dǎo)磁體系統(tǒng)一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；圖3所示為一超導(dǎo)磁體系統(tǒng)另一個(gè)實(shí)施方式的示意圖；圖4所示為一超導(dǎo)磁體系統(tǒng)又一個(gè)實(shí)施方式的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的若干個(gè)實(shí)施方式有關(guān)超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)。該引線系統(tǒng)包括一正極電流引 線、一負(fù)極電流引線、和一個(gè)低溫制冷系統(tǒng)。所述正、負(fù)極電流引線各有與一電源設(shè)備電連 接的一端(下稱“熱端”)，以及與超導(dǎo)磁體電連接的另一端(下稱“冷端”)。所述低溫制 冷系統(tǒng)包括與導(dǎo)電線的冷端熱耦合的導(dǎo)熱件、以及穿過導(dǎo)熱件的冷卻劑通道。一液體冷卻 劑流經(jīng)所述冷卻劑通道，吸收導(dǎo)電線冷端的熱，并揮發(fā)為氣體以將熱量帶走，從而將導(dǎo)電線 的冷端保持在低溫，而不向超導(dǎo)磁體傳熱。電流通過正、負(fù)極導(dǎo)電極的冷端傳送到超導(dǎo)線圈 的正、負(fù)極。參照?qǐng)D1所示，一超導(dǎo)磁體12 ( “磁體12”)包括至少一個(gè)纏繞在軸筒122上的磁 體線圈120。在所示的實(shí)施方式中，超導(dǎo)線圈120包括了正極IM和負(fù)極126以接受電流。 在某些實(shí)施方式中，超導(dǎo)線圈120由諸如鈮-鈦合金、鈮三錫、二硼化鎂、鉍鍶鈣銅的氧化物 (BSCCO)、釔鋇銅氧(TOCO)等超導(dǎo)材料制成，并被保持在超導(dǎo)臨界溫度以下。因此，超導(dǎo)線 圈120的電阻很小。在某些實(shí)施方式中，磁體12可以包括纏繞在軸筒122上的多個(gè)超導(dǎo)線 圈，以便所需要的磁場(chǎng)和/或磁能。在某些實(shí)施方式中，磁體12還進(jìn)一步包括一個(gè)包覆在 超導(dǎo)線圈120外部的保護(hù)層(未在圖1中標(biāo)示)。請(qǐng)參照?qǐng)D2所示，作為一個(gè)實(shí)施方式，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)10包括磁體12和引線系統(tǒng) 14，其中引線系統(tǒng)14包括一個(gè)依據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的制冷系統(tǒng)觀。為簡(jiǎn)化視圖，超 導(dǎo)線圈122、軸筒IM在圖2-4中都被省略。在所示的實(shí)施方式中，引線系統(tǒng)14包括至少一 個(gè)正極電流引線16和至少一個(gè)負(fù)極電流引線18。每個(gè)正、負(fù)極電流引線16、18都有一個(gè)熱 端20與電源22通電相連，以及一個(gè)冷端M與磁體12相應(yīng)的正、負(fù)極124、1沈通電相連， 以便將電流從電源22向磁體12傳輸。在某些實(shí)施方式中，正、負(fù)極電流引線16、18由諸如 銅、鋁、黃銅、不銹鋼或者BSCCO、YBCO等高溫超導(dǎo)材料構(gòu)成。在所示的實(shí)施方式中，引線系 統(tǒng)14的正、負(fù)極電流引線16、18之間設(shè)有一個(gè)絕緣體沈。在一些實(shí)施方式中，絕緣體沈由 玻璃纖維復(fù)合材料或塑料材料等絕緣制成。在其他實(shí)施方式中，正、負(fù)極電流引線16、18之 間的間距足夠大，從而不必在其間設(shè)置絕緣體。在圖2所示的實(shí)施方式中，引線系統(tǒng)14還 包括一個(gè)低溫制冷系統(tǒng)觀(“制冷系統(tǒng)觀”)，以便將正、負(fù)極電流引線16、18的冷端M維 持在一個(gè)較低的溫度。如圖2所示的實(shí)施方式中，制冷系統(tǒng)觀包括至少一個(gè)導(dǎo)熱件30a、30b和一個(gè)冷卻 劑通道32a、32b，其中導(dǎo)熱件30a、30b分別與正、負(fù)極電流引線16、18的冷端M熱耦合，而 冷卻劑通道32a、32b貫穿導(dǎo)熱件30a、30b。液態(tài)冷卻劑流經(jīng)冷卻劑通道，吸收冷端M的熱量，同時(shí)受熱揮發(fā)為氣體，將熱量帶走。因此，正、負(fù)極電流引線16、18的冷端對(duì)能保持低 溫而不向超導(dǎo)磁體12傳熱。在某些實(shí)施方式中，冷卻劑通道32a、32b中流動(dòng)的液態(tài)冷卻劑 可以包括氮、氖、氫、氦或其他能夠從冷端M帶走充分熱量的合適的冷卻劑。在圖2所示的實(shí)施方式中，至少一個(gè)導(dǎo)熱件30a、30b由導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能都良 好的金屬或合金構(gòu)成，例如銅、鋁、銀、黃銅或者其合金。在所示的實(shí)施方式中，制冷系統(tǒng)觀 的第一導(dǎo)熱件30a與正極電流引線16熱耦合，而第二導(dǎo)熱件30b則與負(fù)極電流引線18熱 耦合。作為一個(gè)實(shí)施方式，導(dǎo)熱件30a、30b可能以軟釬焊、硬釬焊或焊接的方式固持在相應(yīng) 的電流引線16、18上并與其接觸。在另一個(gè)實(shí)施方式中，第一、第二導(dǎo)熱件30a、30b可能分 別是正、負(fù)極電流引線16、18的整體的一部分。在圖2所示的實(shí)施方式中，制冷系統(tǒng)觀的第一冷卻劑通道3 貫穿第一導(dǎo)熱件 30a,而第二冷卻劑通道32b貫穿第二導(dǎo)熱件30b。如前所述，通道32a、32b傳輸冷卻劑并分 別與第一、第二導(dǎo)熱件30a、30b熱耦合。在所示實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b 分別穿過相應(yīng)導(dǎo)熱件30a、30b中的通孔34，若干個(gè)連接管36經(jīng)由軟釬焊、焊接或硬釬焊等 方式與通孔34的兩端相連。從而，冷卻劑通道32a、32b中的液態(tài)冷卻劑通過通孔34與導(dǎo) 熱件30a、30b直接接觸，以有效的冷卻導(dǎo)熱件30a、30b，進(jìn)而冷卻電流引線16、18。在另一 個(gè)實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b的連接管貫穿導(dǎo)熱件30a、30b的通孔34，冷 卻劑通道32a、32b中的液態(tài)冷卻劑通過連接管的管壁與導(dǎo)熱件30a、30b熱耦合，以冷卻電 流引線16、18。在某些實(shí)施方式中，連接管36由例如不銹鋼、銅或黃銅等金屬材料制成。在某些實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b各包括至少一個(gè)將液態(tài)冷卻 劑引入通道內(nèi)的連接口。在圖2所示的實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b兩端各 有第一連接口 38a、38b和第二連接口 40a、40b，用以引入冷卻劑或?qū)怏w排出冷卻劑通道。 因此，第一、第二導(dǎo)熱件30a、30b通過第一、第二冷卻劑通道32a、32b中流動(dòng)的液態(tài)冷卻劑 進(jìn)行冷卻。在所示的實(shí)施方式中，制冷系統(tǒng)28包括兩個(gè)冷卻劑制冷源42a、42b，該兩冷卻劑 制冷源分別與第一、第二冷卻劑通道32a、32b的第一、第二連接口 38a、38b、40a、40b相連 通。在一個(gè)實(shí)施方式中，冷卻劑制冷源42a、42b為存儲(chǔ)液態(tài)冷卻劑的冷卻器儲(chǔ)存罐。液體 冷卻劑經(jīng)由第一連接口 38a、38b從冷卻劑儲(chǔ)存罐42a、42b流入冷卻劑通道32a、32b，而其氣 化后的氣體則從第二連接口 40a、40b從第一、第二冷卻劑通道32a、32b排出。在所示的實(shí) 施方式中，冷卻劑儲(chǔ)存罐42a、42b的位置應(yīng)高于第一、第二冷卻劑通道32a、32b，因此，液態(tài) 冷卻劑在重力的作用下從冷卻劑儲(chǔ)存罐42a、42b流進(jìn)第一、第二冷卻劑通道32a、32b。在所示實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b中的液態(tài)冷卻劑來(lái)自不同的 的冷卻劑儲(chǔ)存罐。在所示實(shí)施方式中，第一、第二冷卻劑通道32a、32b的第一、第二連接口 38a、38b、40a、40b分別與冷卻劑儲(chǔ)存罐42a、42b相連。在其他實(shí)施方式中，只有第一連接 口 38a、38b與冷卻劑儲(chǔ)存罐42a、42b相連通，用以將液態(tài)冷卻劑引入各自的冷卻劑通道，而 第二連接口 40a、40b可以與任何一個(gè)其他的容器連通，以將氣化產(chǎn)生的氣體傳送到該容器 中，或者接入冷凝器以將氣化產(chǎn)生的氣體再冷凝為液態(tài)冷卻劑以循環(huán)利用，又或者將氣化 產(chǎn)生的氣體直接排出制冷系統(tǒng)觀外。參照?qǐng)D3所示，依據(jù)本發(fā)明的另一項(xiàng)實(shí)施方式的制冷系統(tǒng)44包括一個(gè)貫穿第一、 第二導(dǎo)熱件30a、30b的冷卻劑通道46，該冷卻劑通道46包括至少連接口 38、40與冷卻劑儲(chǔ)存罐42相連通。因此，液態(tài)冷卻劑在冷卻劑通道46中流動(dòng)，為正、負(fù)極電流引線16、18的 冷端M提供冷卻。在所示實(shí)施方式中，冷卻劑通道46包括至少一個(gè)位于第一、第二導(dǎo)熱件 30a、30b之間的電絕緣管段48，以在第一、第二導(dǎo)熱件30a、30b之間的形成電絕緣。在某些 實(shí)施方式中，電絕緣管段48由陶瓷材料制成。這種電絕緣管段48的一個(gè)實(shí)施例包括陶瓷 管道及陶瓷管道兩端的不銹鋼鍍層，不銹鋼鍍層與鄰接的連接管36焊接。在所示實(shí)施方式 中，冷卻劑通道46包括至少一個(gè)位于冷卻劑儲(chǔ)存罐42和每個(gè)導(dǎo)熱件30a、30b之間的電絕 緣管段48，以實(shí)現(xiàn)冷卻劑儲(chǔ)存罐42與電流引線16、18之間的電絕緣。參照?qǐng)D4所示，依據(jù)本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施方式的制冷系統(tǒng)50包括貫穿第一、第二導(dǎo) 熱件30a、30b的冷卻劑通道52、以及一個(gè)與冷卻劑通道52相連通的冷卻劑制冷源M。在 所示實(shí)施方式中，冷卻劑制冷源M包括一個(gè)冷凝器，該冷凝器與制冷機(jī)56熱耦合，并被該 制冷機(jī)56冷卻到較低的溫度。因此，冷卻劑制冷源M提供了一個(gè)能讓氣化產(chǎn)生的氣體再 次冷凝到液態(tài)冷卻劑的冷表面陽(yáng)。在所示實(shí)施方式中，冷卻劑制冷源M僅經(jīng)由一條管道 58與冷卻劑通道52相連通。而在其他實(shí)施方式中，冷卻劑制冷源M可能經(jīng)由兩條甚至更 多的管道與冷卻劑通道52相連通。在制冷系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行階段，一定量的冷卻劑從一個(gè)注入口(圖上未顯示)被注 入冷卻劑通道52，當(dāng)足量的冷卻劑進(jìn)入冷卻劑通道52后，這個(gè)注入口將被封閉。在一個(gè)實(shí) 施方式中，進(jìn)入冷卻劑通道52的是液態(tài)冷卻劑。而在其他實(shí)施方式中，進(jìn)入冷卻劑通道52 的是氣體，并在冷卻劑制冷源M不斷冷凝成液體冷卻劑。在制冷系統(tǒng)50正常運(yùn)行期間，液 態(tài)冷卻劑在冷卻劑通道52中流動(dòng)。在某些實(shí)施方式中，當(dāng)制冷系統(tǒng)50正常運(yùn)作時(shí)，第一、 第二導(dǎo)熱件30a、30b的貫穿孔34中充滿液態(tài)冷卻劑，以將正、負(fù)極電流引線16、18的冷端 M維持在較低的溫度。冷卻劑通道32中的部分液態(tài)冷卻劑氣化，以吸收電流引線16、18的 冷端M的熱量。氣化產(chǎn)生的氣體流向冷卻劑制冷源M，被冷凝成液態(tài)冷卻劑后回流至冷卻 劑通道52。因此，制冷系統(tǒng)中冷卻劑在氣態(tài)和液態(tài)之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，而持續(xù)不斷的帶走電流 引線冷端的熱量，以將其維持在低溫。雖然結(jié)合特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對(duì) 本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識(shí)到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真 正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其包括一電流引線；至少一個(gè)與電流引線的一端熱耦合的導(dǎo)熱件；至少一個(gè)貫穿導(dǎo)熱件的冷卻劑通路，該冷卻劑通道包含至少一個(gè)連接口 ；以及一個(gè)通過冷卻劑通道的連接口與冷卻劑通路相連通的冷卻劑制冷源。
2.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)熱件是電流引線的一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括正極電流引線和負(fù)極電流 引線，以及第一、第二導(dǎo)熱件，該第一、第二導(dǎo)熱件分別與所述正極、負(fù)極電流引線熱耦合。
4.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進(jìn)一步包括位于正極、負(fù)極電 流引線之間的電絕緣體。
5.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括分別貫穿第一、第二導(dǎo)熱 件的第一冷卻劑通道和第二冷卻劑通道。
6.如權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)包括一貫穿第一、第二導(dǎo)熱件 的冷卻劑通道。
7.如權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中所述冷卻劑通道包括至少一段位于第 一、第二導(dǎo)熱件之間的電絕緣管路。
8.如權(quán)利要求7所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中電絕緣管段包括陶瓷管道及位于陶瓷 管道兩端的不銹鋼鍍層。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中冷卻劑通道包括至少一 個(gè)位于導(dǎo)熱件和冷卻劑制冷源之間的電絕緣管段。
10.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中所述冷卻劑制冷源是 一個(gè)液態(tài)冷卻劑儲(chǔ)存罐。
11.如權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的超導(dǎo)磁體引線系統(tǒng)，其中所述冷卻劑制冷源是 一個(gè)有一個(gè)冷的表面與冷卻劑通道連通的冷凝器。
12.一種超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)超導(dǎo)線圈，該超導(dǎo)線圈包括正極和負(fù)極；正極電流引線和負(fù)極電流引線，該正極、負(fù)極電流引線的一端分別與相應(yīng)的超導(dǎo)磁體 正、負(fù)極電連接；以及一個(gè)低溫制冷系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)與正極、負(fù)極電流引線所述一端相熱耦合且機(jī)械連接的導(dǎo)熱件；以及至少一貫穿導(dǎo)所述熱件中的冷卻劑通路。
13.—種冷卻方法，其包括將一導(dǎo)熱件與一電流引線的一端機(jī)械連接，并使其熱耦合；將至少一個(gè)連接管與導(dǎo)熱件上的通孔相連通，從而在連接管與所述導(dǎo)熱件上的通孔內(nèi) 形成一條冷卻劑通路；以及通過連接管使一液體冷卻劑流入導(dǎo)熱件上的通孔。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超導(dǎo)磁體的電流引線系統(tǒng)，該電流引線系統(tǒng)包括一電流引線、至少一與電流引線的一端熱耦合的導(dǎo)熱件、一穿過導(dǎo)熱件的冷卻劑通道、以及一與冷卻劑通道連通的冷卻源。通過在該冷卻劑通道中傳輸冷卻劑，以冷卻所述電流引線的一端。
文檔編號(hào)H01F6/00GK102117691SQ20101000211
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2010年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者S·邁恩, 伊萬(wàn)格拉斯·T·拉斯卡里斯, 保爾·S·拖馬斯, 楊潮, 武安波, 潘軍, 趙燕, 黃先銳 申請(qǐng)人:通用電氣公司