專利名稱：低溫槽中作超導(dǎo)用途用的氣冷套管的制作方法
應(yīng)用超導(dǎo)效應(yīng)時(shí)，通常要使某物體的溫度達(dá)到能使與該物體相聯(lián)結(jié)的電導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的溫度，這個(gè)物體通常是配置在低溫槽中的。在低溫槽的下部，冷凍劑呈低溫液體的形式圍繞在該物體的周圍。低溫槽在該液面的上部空間充滿著氣態(tài)的冷凍劑。連接到物體的電流由敷設(shè)在套管中的電流引線產(chǎn)生，套管則通過(guò)固定法蘭連接到低溫槽蓋上的。各套管在低溫槽中，其底部是開口的，這樣氣態(tài)冷凍劑就可以將電流引線包圍起來(lái)，并冷卻這些引線。本發(fā)明涉及上述套管和電流引線的一種特殊設(shè)計(jì)，其目的是使電流引線達(dá)到最佳的冷卻效果。
低溫槽的槽壁和底部通常是借助于帶輻射屏蔽層的外層與四周圍的環(huán)境很好地?zé)峤^緣起來(lái)的，在輻射屏蔽層中，空氣經(jīng)過(guò)抽取，形成真空。因此從周圍環(huán)境流入低溫槽內(nèi)部的熱量是微不足道的。然而，從下面的說(shuō)明中就可以知道，槽蓋內(nèi)部氣體的溫度會(huì)達(dá)到實(shí)際上相當(dāng)于周圍環(huán)境的溫度。氣體與液體之間邊界處的氣體其溫度會(huì)達(dá)到液體在有關(guān)壓力下的沸點(diǎn)。在氣體的上部與下部之間經(jīng)常出現(xiàn)的溫差遍布?xì)庵恼麄€(gè)高度，從而使某些熱量流入低溫槽的液體中。
超導(dǎo)應(yīng)用引起的一個(gè)問(wèn)題就是熱量因周圍環(huán)境與上述物體之間的溫差而流入低溫液體中的問(wèn)題。這是因?yàn)榱己玫碾妼?dǎo)體同時(shí)也是良好的熱導(dǎo)體的緣故。此外，起碼在大電流的情況下，電流流經(jīng)導(dǎo)體，從而使各電流引線處在低溫槽充氣部分的那些部分產(chǎn)生熱量。通電之所以發(fā)熱是因?yàn)殡娏饕€中的歐姆電阻。在交流電的情況下，也會(huì)有熱量產(chǎn)生，那是因?yàn)槌霈F(xiàn)有渦流。此外，還必須考慮因集膚效應(yīng)而引起電阻的增加。
無(wú)需詳細(xì)計(jì)算流入低溫槽中的熱量和槽內(nèi)產(chǎn)生的熱量，可以肯定要想最大限度地減少流入液體中的熱量就必須想辦法排出這些熱量。于是有人在低溫劑的液相與汽相之間的關(guān)系中裝設(shè)了自動(dòng)裝置。若氣體的溫度有上升的趨勢(shì)，液體的增加部分就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)。這樣就可以使如此產(chǎn)生的氣體通過(guò)位于低溫槽外側(cè)的套管部分上的一個(gè)孔自由排入周圍的大氣中。
就是說(shuō)，在液體與氣體之間的界面處基本上保持液體的溫度的氣流，在往上流到槽蓋并排入周圍大氣中從而達(dá)到周圍大氣溫度的一路上，環(huán)繞著各電流引線流動(dòng)，從而可用它來(lái)冷卻電流引線。由于氣流的方向與熱量流入的方向相反，因而這種氣體冷卻過(guò)程往往叫做反向流動(dòng)冷卻過(guò)程。為盡可能提高這個(gè)冷卻過(guò)程的效率，各電流引線按熱交換器那樣設(shè)計(jì)。因此，在低溫槽充氣部分的電流引線可以有各種設(shè)計(jì)。在1983年牛津克拉倫敦出版社(Clarendon Press)出版的《超導(dǎo)性磁體》一書第272頁(yè)中，電流引線系說(shuō)成是彼此間隔一段距離裝設(shè)在電氣上并聯(lián)連接的薄金屬片，冷卻劑即沿這些薄金屬片通過(guò)。該薄金屬片組件安置在絕緣材料制成的管狀包殼中，包殼的內(nèi)部空間敞開著，橫截面呈矩形。從1972年4月號(hào)的“低溫物理學(xué)”雜志第193-200頁(yè)上題為“低溫裝置電流引線述評(píng)”的一文中可以清楚知道，棒材、管材和絞合成束的細(xì)金屬絲也可以用作這種電流引線的結(jié)構(gòu)元件。在其它一些實(shí)施方案中，方案的目的是制取面積/截面比大的電流引線。電流引線制成管狀時(shí)，可以在液體表面和槽蓋緊下方的管壁上開孔。這一類冷卻氣體還可以在管子內(nèi)部流通，從而提高冷卻效果。然而，用內(nèi)部氣流進(jìn)行冷卻會(huì)有很大的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)兩引線中的氣流一時(shí)或因幾何條件上的微小差別而有差異時(shí)，氣流量最小的電流引線會(huì)大幅度發(fā)熱，從而提高了流動(dòng)氣體的粘度和流動(dòng)阻力。這反過(guò)來(lái)又使氣流進(jìn)一步惡化，最終促使套管過(guò)熱和損壞。為防止這一點(diǎn)發(fā)生，必須引用控制器來(lái)維持兩引線中的氣流相等。
為最大限度地減少通過(guò)電流引線的熱量流入，采用的電流引線橫截面的尺寸，要使得電流引線在額定電壓下在接到低溫槽蓋連接處的溫度梯度等于零。這樣熱量就不會(huì)從周圍環(huán)境中通過(guò)電流引線流入槽中。
本發(fā)明涉及一種冷卻裝置，它無(wú)需使用調(diào)節(jié)器就能有效利用低溫槽內(nèi)產(chǎn)生的用以冷卻電流引線的氣流。這里將從電流引入兩根彼此絕緣的電流引線開始，說(shuō)明冷卻裝置的原理。每一根電流引線由許多板狀子引線組成。所有的子引線在低溫槽充氣部分內(nèi)部彼此間隔一段距離，從而形成冷卻氣體流通的空間。為確保各子引線之間的間距相等，并在各子引線之間的空間形成冷卻通道，在各子引線之間設(shè)置了絕緣材料制成的多排橫肋條，各肋條傾斜配置，且具有同樣的間距。各電流引線從其外部向內(nèi)朝中間主絕緣體的方向看去時(shí)，各橫肋條在同一方向上傾斜，即從各板右側(cè)向上朝槽蓋傾斜或相反。也就是說(shuō)，如果能看“透”兩電流引線的話，各橫肋條呈反向傾斜的樣子。
然后將兩個(gè)帶中間絕緣體的板狀組件放入內(nèi)部橫截面基本上呈矩形的外殼中。外殼由絕緣材料制成。外殼的內(nèi)部尺寸取得使一對(duì)對(duì)置的殼壁其寬度相當(dāng)于兩個(gè)板狀組件包括中間絕緣層在內(nèi)的寬度。另一對(duì)對(duì)置殼壁的寬度比子引線的寬度稍為大一些。外殼面對(duì)著各子引線板邊緣的兩個(gè)內(nèi)壁上固定有一些架子，各架子的間距與各橫肋條之間的間距相同，其長(zhǎng)度和位置取得使架子在各橫肋條端部與各板邊緣接觸。
橫肋條的另一個(gè)作用是支撐子引線，使作用到各子引線的100赫電流的力不致引起太大的振動(dòng)。
外殼的長(zhǎng)度取得使其始終小于氣柱可能達(dá)到的最小高度，外殼本身則固定得使其下部始終處在冷卻液液面上方。
這樣，冷卻裝置就可以在工作時(shí)迫使冷卻液中產(chǎn)生的透過(guò)冷卻液表面的氣體通過(guò)各冷卻通道在各電流引線之間的主絕緣層兩側(cè)的下層。這時(shí)所有這些通道的氣流擴(kuò)散開進(jìn)入位于兩側(cè)處在兩最下面的架子之間的公用空間中，然后被迫分布在下一排冷卻通道的所有冷卻通道之間。這樣，可以在兩電流引線周圍設(shè)兩個(gè)平行延伸的曲流形或螺旋形的冷卻盤管，這些盤管在外殼的上邊緣展開，從而使流經(jīng)其中的氣體可以通過(guò)上述孔口向外流入周圍的大氣中。
各冷卻排中各子引線之間的冷卻氣體在兩毗鄰架子之間的空間混合起來(lái)，因而不會(huì)有任何子引線局部發(fā)熱的大風(fēng)險(xiǎn)。
子引線冷卻裝置的另一個(gè)實(shí)施例只設(shè)一個(gè)曲流形或螺旋形冷卻通道。在給定的情況下為達(dá)到最佳的冷卻效果應(yīng)選用哪一個(gè)實(shí)施方案，以及各通道、間距等的尺寸應(yīng)如何取，這些都與許多因素有關(guān)，例如，低溫槽的形狀，使用的冷凍劑、氣柱的高度，電流引線的額定電流，電流引線的數(shù)目、子引線的數(shù)目和電流引線的材料等。
將電流引入一個(gè)以上的電流引線時(shí)，用上述冷卻通道的實(shí)施例，從兩個(gè)電流引線開始，也可以同樣做法基本解決問(wèn)題。舉例說(shuō)，想使其電氣部件進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的物體是由電抗器或變壓器的線圈組成時(shí)，情況可能就是這樣。
上述冷卻裝置的好處在于，可以使通過(guò)電流引入的熱量盡可能少，無(wú)需控制器就可以控制冷卻氣流，各冷卻通道制造起來(lái)既簡(jiǎn)單又便于敷設(shè)到電流引線上，而且提高了防振的穩(wěn)定性。
從各附圖中可以清楚地了解本發(fā)明用以冷卻在超導(dǎo)用途的低溫槽氣冷套管中的電流引線的冷卻裝置。附圖中

圖1通過(guò)低溫槽平行于板狀子引線的寬度方向的縱剖面示出了套管中有兩個(gè)電流引線的冷卻裝置的設(shè)計(jì)的一個(gè)例子;
圖2示出了垂直于圖1剖面且通過(guò)電流引線中心延伸的低溫槽縱向剖面;
圖3通過(guò)低溫槽平行于板狀子引線寬度方向的一個(gè)剖面示出了冷卻裝置的另一個(gè)實(shí)施例;
圖4以圖2相同的視圖示出了冷卻裝置的一個(gè)例子，其中，套管中有四個(gè)電流引線;以及圖5示出了通過(guò)圖4的電流引線在水平平面中的橫剖面。
低溫槽的實(shí)施方案通常與要使其溫度達(dá)到能使與其聯(lián)結(jié)的電導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)溫度的物體形狀和大小有關(guān)。而各套管連同其電流引線實(shí)際上總是安置有低溫槽的蓋上的。但套管在槽蓋上的安置位置卻可以根據(jù)有關(guān)物體加以改變。
圖1、2和3是有兩個(gè)電流引線的一些實(shí)施例，從圖中可以看到低溫槽，槽蓋2，物體3，低溫液體4，氣態(tài)冷凍劑5，電流引線6和7，圍繞著電流引線帶有固定用的法蘭9的套管外殼8，各排氣孔10。
圖2還示出了處在各電流引線之間的絕緣體11，各電流引線則由許多板狀子引線12組成。這些子引線夾持在低溫槽外側(cè)，形成大體上硬質(zhì)的電流引線。出于冷卻的原因和其它原因，各子引線最好在低溫槽內(nèi)彼此保持一定間距配置。為確保各子引線之間的間距相同，在各子引線之間的間隙形成冷卻通道，并提高各子引線之間的機(jī)械穩(wěn)定性，從圖1和3中可以清楚看到，在電流引線6的各子引線與電流引線7相應(yīng)的傾斜橫肋條14a、14b……14n之間設(shè)置多排絕緣材料制成的橫肋條13a、13b……13n，這些肋條傾斜配置，其間的各間距都相同。
帶有中間橫肋條和絕緣體的兩個(gè)電流引線在內(nèi)部橫截面基本上呈矩形的外殼8中延伸。從圖2中可以清楚地看到，兩電流引線遠(yuǎn)離中間絕緣體的子引線與外殼中的其中一對(duì)殼壁直接接觸。在外殼面對(duì)著各引線板邊緣的兩殼壁上分別固定有架子15a、15b……15n和16a、16b……16n，這些架子的間距與各橫肋條之間的間距相同，架子的長(zhǎng)度和位置取得使架子在各橫肋條的端部與各板邊緣接觸。
這樣就形成了兩排彼此鄰接的螺旋形冷卻通道。這兩排冷卻通道在各子引線之間且圍繞各子引線盤旋，將冷卻氣體從外殼面對(duì)著各子引線周圍的冷卻液的部分一直引到在孔10處的排氣口。
圖3示出了冷卻裝置的另一個(gè)實(shí)施例，其中只有一排冷卻通道在各子引線之間圍繞各子引線盤旋。
本發(fā)明經(jīng)過(guò)總結(jié)，表明用成排圍繞各電流引線盤旋的冷卻通道冷卻電流引線的原理也可應(yīng)用在電流引線的數(shù)目在兩個(gè)以上的情況。圖4和5示出了許多采用四個(gè)電流引線6，17，18和7連同中間絕緣體11a、11b和11c許多可能實(shí)施方案中的一個(gè)方案。圖4示出了視圖與圖2相同的電流引線，圖5示出了從殼蓋側(cè)看去在兩個(gè)界定著一排冷卻通道的架子之間一排冷卻通道某截面上的電流引線。此外在此情況下，電流引線組件也裝在橫截面基本上呈矩形的外殼8中。冷卻氣體在兩毗鄰的電流引線6-17、17-18和18-7之間通過(guò)兩架子之間的空間流通的情況，與圖1或3所示通過(guò)通道19、20和21流通的方式相同。為使冷卻氣流回到電流引線6，需要配備為此目的而設(shè)的經(jīng)由各架子的氣流通道22。圖4示出的實(shí)施例中，冷卻氣流從一排冷卻通道至下一排冷卻通道的流通是在兩個(gè)外部電流引線(即電流引線6和7)之間進(jìn)行的，這同時(shí)意味著在同一排的冷卻通道中進(jìn)行著其它的流通過(guò)程19、20、和21。如果氣流在各電流引線之間的流通是在各部分的間距相同的情況下進(jìn)行的，則可以使冷卻氣體通路成為更地道的螺旋形。
冷卻氣流的通路，在圖1、3和5中用箭頭表示，在圖2和4中用帶圓圈表示流出的氣流，用帶X的圓圈表示充入的氣流。
權(quán)利要求
1.一種冷卻裝置，用以冷卻低溫槽(1)套管中的電流引線(6，7，17，18)，低溫槽(1)中盛有冷卻劑，該冷卻劑既呈液體(4)的形式，也呈氣體(5)的形式，氣體(5)是由于熱量流入低溫槽中而在液體中產(chǎn)生的，其中氣體從液體表面一直流到套管頂部的孔口(10)，排出周圍的大氣中，且其中物體(3)安置在液體中以便達(dá)到能使與其聯(lián)結(jié)的電導(dǎo)體進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)的溫度，還有其中電流加到該物體上是通過(guò)這樣一些電流引線進(jìn)行的，該電流引線處在低溫槽的充氣部分，呈板狀子引線(12)的形式，另外各電流引線連同中間主絕緣體(11，11a，11b，11c)都裝在由絕緣材料制成的外殼(8)中，所述外殼的內(nèi)部開口部分其橫截面基本上呈矩形，所述冷卻裝置的特征在于，在低溫槽內(nèi)各子引線之間配置有許多排絕緣材料制成的橫肋條(13a，13b，…13n，14a，14b，…14n)，這些肋條傾斜配置成具有相同的間距，且圍繞外殼的內(nèi)部尺寸取得使一對(duì)對(duì)置著的殼壁其寬度與板狀組件包括中間絕緣體在內(nèi)的寬度相當(dāng)，此外另一對(duì)對(duì)置著的殼壁其寬度比子引線的寬度大得多，以致可以在外殼面對(duì)著各子引線板邊緣的兩內(nèi)壁上可以固定上一些架子(15a，15b，…15n，16a，16b，…16n)，各架子的間距與各橫肋條之間的間距相同，架子的長(zhǎng)度和位置取得使各架子在各橫肋條端部與各板邊緣接觸，因此從外殼邊緣朝液體的方向形成一個(gè)或多個(gè)圍繞著各電流引線的螺旋形冷卻盤管，在套管的上部分?jǐn)U展開。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以冷卻低溫槽(1)各套管中的電流引線(6，7，17，18)的冷卻裝置，其特征在于，各橫肋條的間距取得使各電流引線周圍形成螺旋形冷卻盤管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用以冷卻低溫槽(1)各套管中的電流引線(6，7，17，18)的冷卻裝置，其特征在于，各橫肋條的間隙取得使其得以形成兩個(gè)平行延伸的冷卻盤管。
全文摘要
一種用以冷卻低溫槽(1)各套管中的電流引線(6，7)的冷卻裝置，其中低溫槽充氣部分中的電流引線設(shè)計(jì)成板狀的子引線(12)裝在絕緣材料制成的、內(nèi)部開口部分呈矩形的外殼(8)中。低溫槽內(nèi)所有子引線之間配置有許多排絕緣材料制成的橫向傾斜肋條(13a，13b，…13n，14a，14b，…14n)在外殼面對(duì)著各子引線板邊緣的內(nèi)壁和各橫肋條的端部固定有架子(15，16)，從而從外殼下邊緣圍繞著各電流引線形成螺旋形冷卻盤管。
文檔編號(hào)H02G15/34GK1094502SQ9312032
公開日1994年11月2日 申請(qǐng)日期1993年11月27日 優(yōu)先權(quán)日1992年11月30日
發(fā)明者D·邦曼, S·赫恩費(fèi)爾特 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃朗勃威力公司