[发明专利]一种变截面电流引线

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导带材临界电流特性测试系统的变截面电流引线，属于超导技术应用领域。

背景技术

高温超导体的临界特性测试实验被誉为近代物理史上最为经典的实验之一。临界电流特性是超导体三个临界特性之一。高温超导体的临界电流特性实验通常将高温超导带材浸泡于低温液体(如液氮，液氦)中，通过改变磁场大小及磁场方向来测得不同的临界电流值。

电流引线在测量临界电流特性实验中起到十分重要的作用，用来连接室温电源与超导带材，并给后者施加电流。这期间，引线低温端面传递出来的热量引起冷却液体的蒸发，蒸发出的冷气体再继续冷却电流引线。在过冷液氮温度64K下，钇系氧化物YBCO带材的临界电流密度甚至可以达到数万安培/平方厘米。大电流引起的焦耳热以及由于引线两端的温度差带来的传导漏热将造成冷却液体的大量蒸发，从而大大增加了冷却成本。因此电流引线的优化设计就显得非常重要了。

由于引线处于室温与低温液体的温度差中，引线越靠近低温端位置，热导率越大，电阻率越小，从而造成传导漏热较大，焦耳热较小，同时引线下部的冷却气体温度最低，冷却能力较高，传统的等截面电流引线并没有利用上电流引线的这些特点，造成了冷却气体的浪费，间接增加了冷却成本。电流引线几何结构参数的优化设计就是要通过对电流引线热平衡方程的求解来实现对电流引线的长度与截面积大小的优化计算，使得引线低温端面漏出的热量最小，减少冷却介质的消耗，降低冷却成本。自1959年科学家McFee R.在《Review of Scientific Instruments》杂志公开发表第一篇有关超导磁体用电流引线优化设计文章的近50年时间内，各国从事超导应用研究的科技工作者和工程技术人员在电流引线参数的优化设计上做了大量的工作，从而出现了很多种计算方法，例如偏微分方程纯解析解法，分段计算方法，基于有限元软件的数值计算方法等。这些方法中有些可以通用于大部分的气冷电流引线设计，有些则只针对一些特殊的工况。总的来说这些计算方法均是建立在对电流引线热平衡方程求解的基础上，结合具体的工况，对一些计算参数(如引线材料的物性，引线与冷却气体的热交换效率等)做一些合理的假设，从而得到一个较为接近实际情况的优化参数。

发明内容

本发明的目的是设计一种适用于钇系氧化物YBCO带材临界电流特性测试用的气冷变截面电流引线，应用改进的气冷电流引线分段计算法对变截面电流引线的几何结构参数做了优化设计，本发明内容包括：

一种变截面电流引线，其特征在于，该电流引线具有沿长度方向上横截面积进行变化的结构，所述横截面积的变化方式使用气冷电流引线分段计算方法进行计算得到，并且由铋系氧化物BSCCO超导带材与铜绞线并联而成的混合引线段连接于所述电流引线末端与YBCO带材之间。

依据本发明的变截面电流引线其特征在于所述电流引线是直铜棒。

依据本发明的变截面电流引线其特征在于所述气冷电流引线分段计算方法包括以下步骤：

(1)根据超导设备的实际结构以及电流引线的工作环境确定计算初值，包括引线室温端截面半径R，引线室温端、低温端温度Th、T1，引线室温端热流Q0，液氮蒸发率优化值m，引线分段计算的分段数n，其中n为正整数；

(2)设定引线截面半径变化步长Δr，使得引线截面积逐段减小，构建变截面电流引线函数，第i段引线的截面积Si＝π(R-iΔr)2，其中i为正整数；

(3)从引线室温端的第1段开始，通过气冷电流引线热平衡方程的数值求解，逐段进行迭代计算，得到各段引线的最佳形状因子ΔX1/S1，ΔX2/S2，…，ΔXn/Sn和各段引线的末端漏热值Q1，Q2，…，Qn；

(4)将Si与ΔXi/Si相乘即可得到各段引线的最佳长度，对其相加即可得到整根引线的最佳长度X，由此可得变截面电流引线低温端的截面积为Sn，优化后引线末端漏热为Qn。

本发明设计的适用于YBCO带材临界电流特性测试实验的气冷变截面电流引线，具有以下效果和优点：

(1)充分考虑引线下部冷却气体温度较低的特点，通过使用变截面结构，增加引线下部的换热量，提高引线下部冷却气体换热效率，减少冷却介质消耗。

(2)在相同材料量，相同漏热的条件下可以获得更短的引线长度，以满足超导装置日益小型化的特点。

(3)通过在直铜棒末端与YBCO带材之间焊接一段由铜绞线与BSCCO带材并联而成的混合引线，可以进一步减小处于冷却液体中的引线段的发热，减少冷却介质消耗。

附图说明

图1示出了电流引线结构分析计算模型；