专利名称：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的制作方法
技术领域：
本发明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。
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。
发明内容
本发明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。本发明 内容包括
本发明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。
本发明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。
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弓I线计算方法流程图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；
4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。
具体实施例方式
为详细描述本发明设计原理，图l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
<formula>formula see original document page 5</formula> (1)
式中，g是热流量，指单位时间内通过某一截面面积的热量，单位为『；《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『/—P; ^是引线截面积，即垂 直于导热方向的截面面积，单位为w、 c/77血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
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
式中zir是引线壁面温度与冷却气体温度之差的绝对值；」是对流换热面积；A是对流换热 系数
(3) 电流引线通过电流/时产生的焦耳热大小为<formula>formula see original document page 5</formula>
式中;O为引线材料的电阻率，Z为引线长度，^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
<formula>formula see original document page 5</formula>
(3)
<formula>formula see original document page 5</formula>
(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zir，且设引线各处的截面积相等，于是
△r = 1("+1) (5)
如果分段数足够大，对于每一段引线材料的电阻率A，热导率yt,和冷却气体的比热G可以近似的认为是常数。于是第/段引线满足以下边界条件的微分方程
对其求解可以得到第i段引线的温度分布函数为
(6)
1汰
(7)
将边界条件带入，可以解得
7
/2M
如c巧 分，-
(8)
尸!'
5 =
C7
一(=
0
2<P
、广加cy,j,.
将式(9)整理得到从第/段引线末端流出的热量込，
八
+ ■
(9)
2 AZ..
、A
/《
(10)
式中AY/'为第z'段引线的长度。另外，对于第/段引线，根据能量守恒定律，应满足下列 方程
(11)
消去0/，整理得
A:. S
exp(^~^~4 — 1 = 0
(12)
通过逐段引线的迭代计算，就可以求得各段引线的长横比
"AX2 AZ3 AZ
7，丁， j，…'7
6和各段引线的漏热
0，込,込,…必
其中g"就是从电流引线下端流入低温装置的最小热量，即
1=0 (13) 整个电流引线的最佳长横比为各段引线长横比之和，即
线
人p( : s
乂
自冷变截面电流引线计算方法是在引线的分段计算中加入一个截面积渐变函数，使得 引线的截面积逐段减小来达到构建变截面引线的目的。
要计算最佳引线的形状因子，首先需要求出引线尺寸最佳时由电流引线末端流入低温 容器的热量而引起的液氦蒸发率。可取一系列氮气流量值计算从引线末端流出的热量，则 根据这组数据可绘出一条Q^/r^的曲线。同时对于自冷电流引线，液氮蒸发率与液氮潜热
之间满足线性函数关系2= 7*<^，又可作一条曲线，两条曲线交点处对应的横坐标柳值即为 自冷优化引线的液氮蒸发率值。图3画出了这两条曲线，交点即为所求的液氮蒸发率。
求得优化引线的液氮蒸发率值后，即可开始根据分段计算方法计算分段引线每一段的
G与/wys。同时设定一个引线室温端截面积半径初值W，引线截面积半径变化步^r，则 S产7rW-^^/，&与JI/S相乘即可得到每段引线的长度zL^，相加即可得到优化引线的总长度 X。图4为计算方法的流程图。
使用此计算方法对一个第二代YBCO高温超导带材临界电流特性测试系统设计了一 根变截面电流引线。图5为此电流引线在500A额定电流下电流引线的温度分布仿真计算 结果。
此外，在直铜棒末端焊接一段由铜绞线与BSCCO超导带材并联焊接而成的混合引线 段。当BSCCO超导带材浸泡于液氮之中，工作于超导态时，电流就会经BSCCO超导带 流入YBCO带材之中，从而不产生焦耳热。与单纯使用铜绞线连接电流引线与YBCO带 材情况相比，更进一步减少了电流引线的漏热。
按照优化计算所得的优化设计尺寸制做了变截面电流引线，如图6所示。电流引线实 际装配图如图7所示。电流引线室温端接线柱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，其下端与BSCCO带材与铜绞线混合引线段 6相连，之后再与YBCO带材7相连。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。装置中，直铜棒变截面引线5的末端处于液 氮液面位置，BSCCO带材与铜绞线混合引线段6处于液氮之中。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。
此处己经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在 不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例 证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
权利要求
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，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。
2、 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述直铜棒变截面电流引线(5)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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01R31/00GK101446611SQ20081022718
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月25日 优先权日2008年11月25日
发明者明 丘, 张宏杰, 田军涛, 诸嘉慧 申请人:中国电力科学研究院