一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器

本发明属于热核聚变及大型超导磁体领域，具体涉及一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器。

背景技术：

1、热核聚变将为人类提供取之不尽的清洁能源，国际热核聚变试验堆(iter)计划将在未来十年内建成。聚变试验堆大型低温超导磁体工作点温度一般在液氦温度附近，为了向磁体传输电流，需要一段连接室温终端到低温磁体系统的组件，即所谓的电流引线。电流引线按结构组成分为常规电流引线(或称一元电流引线或阻性电流引线)和高温超导电流引线(或称二元电流引线或复合式电流引线)两种类型。高温超导电流引线一般包含四大部分：1)换热器段，类似常规电流引线，设计温区一般在液氮温度附近；2)高温超导段，常工作在液氮温度以下；3)室温端，工作在室温300k附近；4)低温超导段，常工作在液氦温度附近。

2、高温超导电流引线为大型低温超导磁体供电，同时连接室温(300k)与低温(4.5k)，换热器段连接高温超导端及室温铜头端，换热器段直接与进口50k的氦气进行换热冷却，与铜导体换热后于室温终端出口温度约300k，通过流量计后最终流回到低温系统。换热器段运行温度为65k-300k。电流引线的设计参数对于50k氦气的流量与压差有明确的限定要求，因此需要设计湿周界大的高效换热器，同时需要控制氦气压差在要求的范围之内。与换热器相关的另一个指标是失冷运行时间，要求在全电流、失冷情况下，整个失冷运行时间内电流引线高温超导材料不会失超。换热器连接段结构非常复杂，需要充分考虑接头电阻、测量通道、真空通道布置、流道合理设计、超导材料及套筒安装等。综合上述各种因素，使其设计困难较大。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，换热片的切口通过特定的方法进行切割，使得冷却管、过渡环、换热器铜棒、换热片、换热器套筒可以组成双流道结构，冷却液流经双流道，在冷却面积不变的情况下，可缩短流道长度等，显著降低换热器整体压差。换热器铜过渡段、换热器铜棒和换热片为一根无氧铜棒整体制造而成，可降低连接段的电阻值，降低制冷损耗。换热器铜过渡段结构设计紧凑，便于安装，其内部集成真空通道和测量通道等。超导段套筒上安装有磁屏蔽材料，起到保护超导材料以及屏蔽外部磁场的作用。换热片表面采用镀银工艺处理，可增强换热器的换热性能，同时可防止被氧化。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，包括超导段套筒、超导材料、磁屏蔽材料、过渡环、冷却管、入口冷却流道、换热片、换热器铜棒、换热器套筒、换热器铜过渡段、真空通道、测量通道、双冷却流道和冷却流道出口；所述超导段套筒、超导材料、磁屏蔽材料、过渡环、换热器铜过渡段、真空通道和测量通道构成连接段；超导段套筒和磁屏蔽材料采用氩弧焊点焊在一起，超导段套筒和过渡环采用氩弧焊焊接在一起；超导材料和换热器铜过渡段通过锡焊的焊接方法连接在一起，换热器铜过渡段的内部设置真空通道和测量通道；过渡环真空钎焊在换热器铜过渡段上，冷却管采用氩弧焊焊接在过渡环上，换热器铜棒上设有换热片，换热片的形状为翅片状，换热片的切口通过特定的切口方法进行切割，换热片的外侧安装有换热器套筒，入口冷却流道位于冷却管的位置处，形成冷却液流通管道的入口，冷却液继续在冷却液流通管道中流通，冷却液流通管道在换热片的位置处形成双冷却流道，最后冷却液流通管道中的冷却液在冷却流道出口流出。

4、进一步地，所述换热片的表面镀银，增强换热器的换热性能，同时防止被氧化。

5、进一步地，所述超导段套筒上安装有磁屏蔽材料，超导段套筒和磁屏蔽材料起到保护超导材料以及屏蔽外部磁场的作用。

6、进一步地，所述换热片包括168片，从靠近冷却管的一端开始，第1换热片、第2换热片下侧设有切口，第2换热片、第3换热片和第4换热片上侧设有切口，第4换热片、第5换热片和第6换热片下侧设有切口，第6换热片、第7换热片和第8换热片上侧设有切口，第8换热片下侧设有切口，以8片为一组规律类推，从而组成双冷却流道的结构，冷却液流经双冷却流道，在冷却面积不变的情况下，缩短流道长度，降低换热器整体压降。

7、进一步地，所述换热片、换热器铜棒和换热器铜过渡段采用一根无氧铜棒制造，无氧铜棒的内部含有真空通道和测量通道。

8、有益效果：

9、本发明与传统单流道换热器相比，双流道换热器的优点是：在换热面积一定的情况下，换热器的流道长度更短，流道的截面积更大，流道压差更低，对低温制冷机的要求更低，能耗更小，具有较高的经济效益；所述的换热器及其连接段采用表面镀银处理，既可以增强换热器换热性能，同时可防止换热器被氧化而降低换热器性能，具有较高的经济效益。所述的换热器及其连接段为一体结构制造，与复杂焊接的连接段，其接头电阻更低，制冷消耗更少，结构更加强壮和制造费用更低等。所述的换热器及其连接段结构紧凑，含有磁屏蔽结构、真空通道和测量通等，超导材料性能更优，整体制造费用更低等。

技术特征：

1.一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，其特征在于：包括超导段套筒、超导材料、磁屏蔽材料、过渡环、冷却管、入口冷却流道、换热片、换热器铜棒、换热器套筒、换热器铜过渡段、真空通道、测量通道、双冷却流道和冷却流道出口；所述超导段套筒、超导材料、磁屏蔽材料、过渡环、换热器铜过渡段、真空通道和测量通道构成连接段；超导段套筒和磁屏蔽材料采用氩弧焊点焊在一起，超导段套筒和过渡环采用氩弧焊焊接在一起；超导材料和换热器铜过渡段通过锡焊的焊接方法连接在一起，换热器铜过渡段的内部设置真空通道和测量通道；过渡环真空钎焊在换热器铜过渡段上，冷却管采用氩弧焊焊接在过渡环上，换热器铜棒上设有换热片，换热片的形状为翅片状，换热片的切口通过特定的切口方法进行切割，换热片的外侧安装有换热器套筒，入口冷却流道位于冷却管的位置处，形成冷却液流通管道的入口，冷却液继续在冷却液流通管道中流通，冷却液流通管道在换热片的位置处形成双冷却流道，最后冷却液流通管道中的冷却液在冷却流道出口流出。

2.根据权利要求1所述的一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，其特征在于：所述换热片的表面镀银，增强换热器的换热性能，同时防止被氧化。

3.根据权利要求1所述的一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，其特征在于：所述超导段套筒上安装有磁屏蔽材料，超导段套筒和磁屏蔽材料起到保护超导材料以及屏蔽外部磁场的作用。

4.根据权利要求1所述的一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，其特征在于：所述换热片包括168片，从靠近冷却管的一端开始，第1换热片、第2换热片下侧设有切口，第2换热片、第3换热片和第4换热片上侧设有切口，第4换热片、第5换热片和第6换热片下侧设有切口，第6换热片、第7换热片和第8换热片上侧设有切口，第8换热片下侧设有切口，以8片为一组规律类推，从而组成双冷却流道的结构，冷却液流经双冷却流道，在冷却面积不变的情况下，缩短流道长度，降低换热器整体压降。

5.根据权利要求1所述的一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，其特征在于：所述换热片、换热器铜棒和换热器铜过渡段采用一根无氧铜棒制造，无氧铜棒的内部含有真空通道和测量通道。

技术总结
本发明公开了一种具有连接段的大型高温超导电流引线双流道换热器，涉及热核聚变及大型超导磁体领域，包括超导段套筒，超导材料，磁屏蔽材料，过渡环，冷却管，入口冷却流道，换热片，换热器，换热器套筒，真空通道，测量通道，双冷却流道和冷却流道出口等。其中，超导段套筒和过渡环焊接在一起，磁屏蔽材料固定在超导段套筒上，起到保护和屏蔽的作用。换热器从换热片段至超导材料段为一体无氧铜制造，其内部含有真空通道和测量通道等，该结构具有较低的接头电阻。换热片通过特定的切口方法组成双流道结构，显著降低换热器的压降。本发明的载流更强，接头电阻更低，压降更低，制冷消耗更少，结构更加强壮，制造费用更低。

技术研发人员：宋云涛,韩全,陆坤,丁开忠,刘辰,黄雄一,冉庆翔,张清泉,温新杰
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17