专利名称：一种变截面电流引线的制作方法
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 流弓I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、 Tl，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Ar，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-n (R-iAr) 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AXl/Sl,AX2/S2,…，AXn/Sn和 各段引线的末端漏热值Ql，Q2，…,Qn;
(4) 将Si与AXi/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。
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，1、直铜棒变截面电流引线；2、BSCCO 带材与铜绞线混合引线段。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明进一步说明。为详细描述本发明设计原理，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
2 = -"! (l) 血
式中，0是热流量，指单位时间内通过某一截面面积的热量，单位为『；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，单位为欣《附"；^是引线截面积，即垂 直于导热方向的截面面积，单位为w J77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
0 =磁7 =《~^ (2)
式中Zir是引线壁面温度与冷却气体温度之差的绝对值；j是对流换热面积；A是对流换热(3)电流引线通过电流/时产生的焦耳热大小为
式中p为引线材料的电阻率，丄为引线长度，^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
(3)
血,
(4)
血 "r血
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w段，并使每段引
线两端的温差都相等，令为^r，且设引线各处的截面积相等，于是
(5)
如果分段数足够大，对于每一段引线材料的电阻率y9,，热导率A,和冷却气体的比热C, 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
A =^芸+ ^义-/《,乂+1
对其求解可以得到第/段引线的温度分布函数为
(6)
— 姨
汰
-x
汰
汰
整理得
将边界条件带入，可以解得
义
血+ 5
(7)尸,.
5 =
2
一C尸,./"附c尸,
/、p
竭-
(8)
/ m C尸,
'i+l
、广/《,.x,.
一l
尸'八
(9)将式(9)整理得到从第/段引线末端流出的热量&,
<formula>formula see original document page 7</formula>(10)
式中ay 为第/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g/，整理得
<formula>formula see original document page 7</formula>
通过逐段引线的迭代计算，就可以求得各段引线的长横比
AJ^ AX2 AX3 AX
和各段引线的漏热
其中QM就是从电流引线下端流入低温装置的最小热量，即
整个电流引线的最佳长横比为各段引线长横比之和，即
<formula>formula see original document page 7</formula>
(12)
<formula>formula see original document page 7</formula>(13)
<formula>formula see original document page 7</formula>(14)
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2=/(>^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0=附*(^，又可作一条曲线，两条曲线交点处对应的横坐标m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 込与JX/S。同时设定一个引线室温端截面积半径初值i ，引线截面积半径变化步^zlr，则s产 r^-^^/,&与zoys相乘即可得到每段引线的长度zix,，相加即可得到优化引线的总长度
义。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。 此处已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钇系氧化物YBCO带材之间。
2、 如权利要求1所述的变截面电流引线，其特征在于所述电流引线是直铜棒。
3、 如权利要求2所述的变截面电流引线，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i ，引线室温端、低温端温度7^、 7)，引线室温端热流2c，液氮 蒸发率优化值m，引线分段计算的分段数"，其中w为正整数；(2) 设定引线截面半径变化步长Jr，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S产;r (7 -""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/^/^1￥2/&,...;/1;^&和各段引 线的末端漏热值(4) 将&与z!X/S,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S"，优化后引线末端漏 热为g 。
全文摘要
本发明涉及一种适用于高温超导带材临界电流特性测试系统的变截面电流引线，属于应用超导技术领域，包括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，用于连接所述直铜棒变截面引线末端与YBCO带材。本发明设计的变截面电流引线具有漏热小，冷却效率高，节省引线材料和制冷成本的优点。
文档编号G01R1/06GK101446598SQ20081022718
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, 田军涛, 诸嘉慧, 斌 魏 申请人:中国电力科学研究院