一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，该装置使用的直铜棒变截面电流引线，使用改进的气冷电流引线分段计算法对变截面电流引线几何参数进行了优化设计；铜绞线与ＢＳＣＣＯ带材并联焊接的混合引线段，用于连接直铜棒变截面引线末端与ＹＢＣＯ带材。通过这样的混合结构，达到了减小电流引线漏热，降低ＹＢＣＯ临界电流特性测试系统冷却成本的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，属于超导技术应用领域。
技术介绍
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超导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。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，该装置使用的直铜棒变截面电流引线，使用改进的气冷电流引线分段计算法对变截面电流引线几何参数进行了优化设计；铜绞线与铋系氧化物BSCCO带材并联焊接的混合引线段，用于连接直铜棒变截面引线末端与钇系氧化物YBCO带材。通过这样的混合结构，达到了减小电流引线漏热，降低YBCO临界电流特性测试系统冷却成本的目的。本
技术实现思路
包括：本专利技术提出了一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，其特征在于直铜棒变截面电流引线的室温端接线柱安装在杜瓦法兰上，直铜棒变截面电流引线的上端焊接在室温端接线柱的下端，直铜棒变截面电流引线的下端与BSCCO带材与铜绞线混合引线段相连，之后再与钇系氧化物YBCO带材相连，钇系氧化物YBCO带材置于背景磁体中部的长条形均匀气隙中，并通过钇系氧化物YBCO带材吊杆连接到杜瓦法兰上，背景磁体放置在背景磁体托盘上并通过背景磁体吊杆连接到杜瓦法兰上，直铜棒变截面电流引线的末端处于液氮液面位置，铋系氧化物BSCCO带材与铜绞线混合引线段处于液氮之中。本专利技术的装置中所述直铜棒变截面电流引线具有使用气冷电流引线分段计算方法设计的逐渐变化的截面。附图说明图1示出了电流引线结构分析计算模型；图2示出了电流引线分段计算模型示意图；图3示出了电流引线漏热与液氮蒸发率关系曲线；图4示出了变截面气冷电流引线计算方法流程图；图5示出了电流引线温度分布仿真结果；图6示出了电流引线设计几何尺寸参数，其中，5、直铜棒变截面电流引线；6、BSCCO带材与铜绞线混合引线段；-->图7示出了电流引线实际装配图，其中，1、杜瓦法兰；2、室温端接线柱；3、背景磁体吊杆；4、YBCO带材吊杆；5、直铜棒变截面电流引线；6、BSCCO带材与铜绞线混合引线段；7、YBCO带材；8、背景磁体；9、背景磁体托盘。具体实施方式为详细描述本专利技术设计原理，图1是一根典型的气冷电流引线的热流分布图，根据经典传热学定律，可以分析得到各部分热流如下：(1)根据傅里叶热传导定律，可得电流引线任意位置x处截面通过的热量为Q=-KAdTdx---(1)]]>式中，Q是热流量，指单位时间内通过某一截面面积的热量，单位为W；K为导热系数或热导率，它反映物体的导热能力，常由实验测得，单位为W/(mK)；A是引线截面积，即垂直于导热方向的截面面积，单位为m2；dT/dx为引线截面处的温度梯度；负号表示热量传递方向与温度梯度方向相反。(2)根据牛顿冷却公式得到冷却气体与电流引线对流换热量为Q=hAΔT=mCpdTgdx---(2)]]>式中是引线壁面温度与冷却气体温度之差的绝对值；A是对流换热面积；h是对流换热系数(3)电流引线通过电流I时产生的焦耳热大小为Q=I2ρLA---(2)]]>式中ρ为引线材料的电阻率，L为引线长度，A为引线截面积。根据能量守恒定律，我们可以得到气冷电流引线的热平衡方程如下d(k(T)SdT/dx)dx-fmCPdTdx+ρ(T)I2/S=0---(4)]]>图2是气冷电流引线分段计算方法微元分析示意图，设将引线分成n段，并使每段引线两端的温差都相等，令为ΔT，且设引线各处的截面积相等，于是ΔT=1n(t-tn+1)---(5)]]>如果分段数足够大，对于每一段引线材料的电阻率ρi，热导率ki和冷却气体的比热Ci-->可以近似的认为是常数。于是第i段引线满足以下边界条件的微分方程Qci=kiSdTdx+I2Sρix-fmCpi(T-tn+1)x=Xi,T=ti,x=Xi+ΔXi,T=ti+1---(6)]]>对其求解可以得到第i段引线的温度分布函数为Ti(x)=efmCPiSki{fmCPiSkix[QciSki-fmCPitiSki-I2ρiS2kix]dx+B本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，其特征在于直铜棒变截面电流引线（５）的室温端接线柱（２）安装在杜瓦法兰（１）上，直铜棒变截面电流引线（５）的上端焊接在室温端接线柱（２）的下端，引线（５）的下端与铋系氧化物ＢＳＣＣＯ带材与铜绞线混合引线段（６）相连，之后再与钇系氧化物ＹＢＣＯ带材（７）相连，钇系氧化物ＹＢＣＯ带材（７）置于背景磁体（８）中部的长条形均匀气隙中，并通过钇系氧化物ＹＢＣＯ带材吊杆（４）连接到杜瓦法兰（１）上，背景磁体（８）放置在背景磁体托盘（９）上并通过背景磁体吊杆（３）连接到杜瓦法兰（１）上，直铜棒变截面电流引线（５）的末端处于液氮液面位置，铋系氧化物ＢＳＣＣＯ带材与铜绞线混合引线段（６）处于液氮之中。

【技术特征摘要】
1、一种使用变截面电流引线测量高温超导体临界电流特性的装置，其特征在于直铜棒变截面电流引线(5)的室温端接线柱(2)安装在杜瓦法兰(1)上，直铜棒变截面电流引线(5)的上端焊接在室温端接线柱(2)的下端，引线(5)的下端与铋系氧化物BSCCO带材与铜绞线混合引线段(6)相连，之后再与钇系氧化物YBCO带材(7)相连，钇系氧化物YBCO带材(7)置于背景磁体(8)中部的长条形均匀气隙中...

【专利技术属性】
技术研发人员：诸嘉慧，田军涛，张宏杰，丘明，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]