[發(fā)明專利]用于高溫超導(dǎo)大電流引線的疊片式高效氣冷阻性換熱器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010605561.6
• 申請日: 2010-12-24
• 公開（公告）號: CN102142312A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 畢延芳;周挺志
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院等離子體物理研究所
• 主分類號: H01F6/04
• 分類號: H01F6/04;F28F3/08
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及大型熱核聚變裝置或其他大型電磁裝置的超導(dǎo)磁體的供電饋線領(lǐng)域，具體涉及一種用于高溫超導(dǎo)大電流引線的疊片式高效氣冷阻性換熱器。

背景技術(shù)

熱核聚變將將為人類提供取之不盡的清潔能源，國際熱核聚變試驗堆(ITER)計劃將在未來十年內(nèi)建成。為其巨型低溫超導(dǎo)磁體饋電的電流引線是最主要的熱負荷來源。采用HTS電流引線可使其致冷電耗節(jié)省2/3，這已經(jīng)成為超導(dǎo)磁體供電饋線設(shè)計者的共識。但從室溫至高溫超導(dǎo)件的溫端仍需應(yīng)用銅電流引線，對于大電流引線通常采用氣流冷卻來提高致冷效率，然而冷卻氣流與阻性換熱器(有電阻段內(nèi)電流的發(fā)熱和來自高溫側(cè)的傳導(dǎo)熱與氣流換熱)本體之間的熱交換效率則是能否節(jié)省冷卻氣流流量的關(guān)鍵。

2002和03年日、德先后為ITER磁體研發(fā)成功60kA和70kA?HTS電流引線，此后，歐洲核研究中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)配備了1100多支HTS電流引線。日原子能所采用數(shù)十萬股細銅線組成的阻性換熱器與HTS組件連接，這種細銅線換熱器的優(yōu)點是換熱面積特大，但難以保障與氣流之間均勻地換熱，有時換熱器因此而燒毀。此外兩端的接頭電阻會比較大，所以僅適合1千安以下的電流引線。

德國卡爾斯魯厄技術(shù)物理所采用在中心銅棒上真空釬焊數(shù)百片開有小孔的銅圓盤，為增加換熱面積，圓盤厚度1毫米，這樣距芯棒較遠的部分對傳熱貢獻很差。70kA電流引線試驗結(jié)果表明，其效率只有87％。又因為真空釬焊很貴，近年在設(shè)計德國超導(dǎo)仿星器W7-X電流引線時，他們轉(zhuǎn)而采用曲折流翅片(zigzag-flow-fin)換熱器。最近低溫試驗結(jié)果表明，其效率仍低于90％。LHC對撞機的13千安和6千安電流引線的換熱器都采用曲折流翅片換熱器，受壓差的限制，翅片間距大，效率低于80％。曲折流換熱器的致命缺點是換熱面積太小，這必然導(dǎo)致?lián)Q熱器與氣流之間的溫差加大，并要求流量增加。

低效換熱器的另一個缺點是從換熱器排出的氦流溫度較低，過剩的冷量還造成電流引線室溫端結(jié)霜或結(jié)露，降低電絕緣水平。為防止此現(xiàn)象，不得不用電加熱器提高溫度，耗費額外電功率。

發(fā)明內(nèi)容

基于換熱器基礎(chǔ)理論，足夠的換熱面積是獲得高效率的最基本條件。疊片式換熱器的面積雖小于細銅線，但非常容易達到99％效率；而且電流分布比細銅線均勻，接頭處理也容易得多。本發(fā)明的目的是提供一種疊片式換熱器，在同樣的冷卻氣體入口溫度條件下，在保征高溫超導(dǎo)組件溫端的運行溫度要求下，降低冷卻換熱器的氣流流量，節(jié)省致冷成本。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器，其特征在于包括有由多個薄銅板端部之間添加薄銅片墊隔疊置并通過鉚釘固定成一體構(gòu)成換熱器芯體，薄銅板上開有規(guī)則分布的通孔和凸點；換熱器芯體兩端接頭段上、下方分別設(shè)有厚銅板保護，疊置的薄銅板之間的間隙構(gòu)成均勻分布的流道；所述的換熱器芯體與兩端的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段銅件電子束焊接，所述換熱器芯體的流道與其兩端的流道相通；所述的換熱器芯體非接頭段外用不銹鋼盒封裝，真空氣密。

所述的用于大型超導(dǎo)磁體的電流引線室溫段與高溫超導(dǎo)段之間的疊片式換熱器，其特征在于：所述的薄銅板采用高導(dǎo)無氧銅，所述的薄銅板芯部開有小孔和凸點，其兩端銅板之間視需要在中部也可添加薄銅片墊隔。

本發(fā)明的原理如下：

電流引線阻性換熱器的冷卻因子，即(hP_w)，是換熱系數(shù)(指冷卻氣體與換熱器固體表面)h與濕周界P_w的乘積。為說明它對換熱器效率的影響，下面以10千安換熱器為例。換熱器采用50開溫度氦氣供冷，在10kA電流時要求換熱器冷端溫度為65開，溫端溫度300開。據(jù)一維微分方程的數(shù)值解，可獲得不同(hP_w)所需的最小氦流。并定文很大(hP_w)時的流量(此值為0.06克/秒/千安)與各流量之比為換熱器效率，圖1是所得的流量、效率對(hP_w)值曲線。由此圖可見，當(hP_w)＞1000瓦/開-米時其效率可＞99％。再增大(hP_w)值，對效率的貢獻不會大于1％。但當(hP_w)＜200瓦/開-米時流量增加很快，效率下降很陡。