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1、超导装置励磁电流引线的设计问题吴千红 余运佳 南和礼摘 要：励磁电流引线是超导装置的重要组成部分，其漏热量往往占低温容器总漏热量的主要部分，是决定 系统运行成本的重要因素。电流引线的设计问题具有现实的经济和技术意义。本文对于引线的各种结构形式、 运行方式以及引线设计中的若干问题做了论述。关键词：电流引线;超导磁体;低温;漏热THE DESIGN OF A CURRENT LEAD FOR A SUPERCONDUCTING DEVICEWU Qianhong YU Yunjia NAN Heli （Institute of Electrical Engineering, Academia Si
2、nica） Abstract：Current lead is an important part of a cryogenic device, and it is also one of the main sources of heat loss of the system. In this article, the leads are classified according to their features. A different design thought is considered.Key words：current lead, superconducting magnet, c
3、ryogenics, heat loss1 引言 超导电性的发现迄今已有八十多年了，超导技术在最近二三十年中也得到了迅速的发展，这和超导材料、 低温技术的发展是密切相关的。目前超导电性应用较为广泛，成效较大的一个方面是超导磁体的应用。超导磁体的供电励磁方法大体上可 以分为两种1：第一种是直接采用直流电源经过引线对超导磁体进行励磁，这是一种最常用的方法。第二种 方法是采用超导整流磁通泵给超导线圈供电，后者尚处于研究阶段而未实用化。当通过引线向超导磁体供电时，电流从电源通过电流引线传送给超导线圈。电源一般都在室温下，而磁体 却处于极低温下（通常在4.2K）。在如此巨大的温度跨度之间的电流引线，不仅
4、形成一个很大的漏热源（称作热 桥），而且由于通电产生焦耳热而成为了附加的热源。这个热源和热桥对于冷端液氦的保存是极为不利的。而 即使是中小型超导磁体，往往也需要几十到上百安培的励磁电流，所以引线漏热量占到了低温容器总漏热量的 主要部分，成为决定系统运行成本的重要因素。2 电流引线的各种类型按照不同的分类方法，电流引线可以分为以下几种（见图1）。图 1 引线分类示意图2.1 按冷却方式分类可以分为传导冷却式电流引线和气体冷却式电流引线。2.1.1 传导冷却引线又称为一端冷却引线。是在小电流下，或者即使是大电流但通电时间比较短时所采用的一种最简单的引线 形式，其冷却只靠对冷端液氦的热传导进行。这种
5、冷却形式构成了对冷端传热最差的情况。2.1.2 气体冷却引线所谓气体冷却电流引线是利用低温容器内蒸发的流出气体沿引线几何方向辅助冷却引线，它充分利用冷氦 气的冷量，与一端冷却引线相比，相同结构的引线，液氦的蒸发量大约减少两个数量级2。气冷引线的结构形式很多，其基本构想是强化引线与冷氦气之间的热交换，并引导冷氦气沿引线及其换热 装置流动，以使引线获得充分的冷却。强化传热的主要途径有二。第一，扩大换热面积F；第二，使气氦流动 湍流化，提高换热过程的热交换系数h。这两个方面彼此密切相关，往往一项工艺改进能使F和h都获得提高 3。基于上述想法可以制成各种引线结构形式。如：网格状引线、束状引线、板带状引
6、线、带有翅片的引线、 由多孔材料制成的引线、导流引线、具有内置旋转叶轮的引线、绕带式引线等。2.2 按与磁体的连接方式分类可以分为固定式（不可拆）电流引线和可拔电流引线。当加载电流达到所需值时，磁体闭环运行，引线上通的电流降为零。如果此时将引线拔出低温容器，那末 就会因“拆除”该热桥而使容器的冷损大大降低，这是解决引线漏热的比较完善的方案。但是，可拔引线技术上 遇到的困难比较多：可分离接头在低温下可靠性差；需要足够的机械力以保证很好的热接触，从而使设计复杂 接触点的接触电阻的存在限制了磁体的工作电流；因为接触点释放大量的热，可拔引线不利于超导磁体失超时 释放能量。因此，可拔引线在设计上有更高的
7、要求，一般属于技术专利。2.3 按引线材料分类可以分为传统电流引线和采用高温超导材料的电流引线。从传统电流引线到高温超导材料电流引线，同时 也体现着电流引线发展历史的两个阶段。2.3.1 传统引线从六十年代到八十年代主要进行常规电流引线的研究。引线主要用于直流磁体，电压等级不高。2.3.2 含有高温超导材料的引线电流引线通过热传导方式将热量传入低温容器，若引线处于非超导态，还以焦耳热形式传入。高温超导体 (HTSC)在液氮沸点温度以上就能保持超导性能，这种超导体的发现为降低通过电流引线传入低温容器的热 流提供了潜在的可能性。使用高温超导体的优点是可把电流引线的超导部分运行在低于临界温度的超导态
8、，消除了焦耳热。另一方 面，作为陶瓷材料的高温氧化物超导体的热导率很低，降低了引线从高温区向低温区的传导热流。因此，用高 温超导体制作的电流引线能显著地降低漏热，从而，增加开式工作系统的运行时间，或者降低闭式工作系统的 制冷量要求，推动超导磁体系统的应用和普及6。采用高温超导材料的电流引线的基本形式是在液氮温区下采用高温超导体，在液氮温区以上采用常规金属因此又称作混合电流引线(或二元电流引线)。文献7系统论述了超导磁体电流引线的各种结构型式、运行方式和试验结果。如图2所示。图2 电流引线的各种运行方式A：工作于4.2K293K之间的传统气冷电流引线，当电流密度为1000A/cm2时，1W/kA
9、的冷损对应的室 温制冷机功耗为 328W/kA。B：不带中间温度换热器的混合气冷引线，在理想传热和使用银包套高温超导材料时，冷损为0.77W/kA。 为提高引线效率，须降低自正常金属段流入超导段的热流，因此有以下几种改进方式。C：在正常一超导接头处，加设液氮槽，超导段为传导冷却方式。23.3W/kA的冷损对应的室温制冷机功 耗为91.2W/kA，相当于传统电流引线功耗的28%。D：在正常一超导接头处，加设液氮换热器，其他同C, 41.6W/kA的冷损对应的室温制冷机功耗为 120W/kA，相当于传统电流引线功耗的37%。E：在正常一超导接头处，加设氦换热器，对应于氦气流量为1.42g/s*kA
10、，功耗为137W/kA。F：除了在正常一超导接头处加设氦换热器，正常金属段再用氦气冷却，将使引线性能提高。功耗为 85W/kA，相当于传统电流引线功耗的26%。G：为避免两种不同的氦气质量流率，超导段传导冷却，正常段氦气冷却的引线形式如G所示。功耗 83W/kA，相当于传统电流引线功耗的25%。3 电流引线的设计 引线的设计就是要在所给定的条件(电流、高低端温度、引线长度等)下，确定引线的结构和尺寸，以确 保通过引线的冷损最小或用于引线冷却的功耗最低。一个最佳气冷引线的设计，必须满足以下三个条件：(1) 液氦的蒸发损失最小。(2) 电流引线冷端和热端的气压降尽可能小，以保持液氦容器温度变化最小
11、。(3) 在冷气突然发生堵塞和停止时，电流引线不会被烧坏。 电流引线的设计须从结构和尺寸两方面入手。(1) 结构方面： 根据磁体的应用背景和对引线的性能要求，确定引线的运行方式，设计所需的引线结构形式。(2) 尺寸方面： 如前所述，沿电流引线流入低温区的热量主要有两个来源：热传导带来的漏热以及流过电流而产生的焦耳 热。恰当地处理传导热和焦耳热之间的关系是引线设计的出发点之一。加大引线的截面积，可以减小焦耳热， 但会增加热传导所引起的漏热；减小截面积时正相反。因此，在载流量、热端温度、冷端温度、引线材料、引 线长度已知的情况下，存在一个热损耗最小的截面积，使流进低温区域的热量最小。图3是电流引线
12、的热平衡示意图。其长度为L，横截面积为A(x)，冷却周长为P，随温度而变化的导热系 数为入(T)，电阻率为p (T)，在两个恒温热源Th和TC之间的传导电流(任意方向)为i，此处AT=TH- TC0。假定引线处于稳定工作状态，引线各点的温度与通电时间无关，电流i不随时间变化，并忽略横截面上 的温度梯度。冷却气体热容为CP (T)，潜热为CL，温度为Tg(x)，质量流量为m，引线与返流气体之间 的对流换热系数为 h 。/ Tmqgi +T化e皿)|A4?i (T-Tf)图 3 电流引线热平衡示意图在稳态工况下，沿引线的温度分布可用联立的非线性方程组描述。即p(T)i2/AU) + 巧心)薯=(丁
13、 一 TJ h PU)hFCT - 7；)=显；：丿(2)对于自冷却电流引线(引线的冷却完全依靠由于引线本身漏热所产生的冷氦气)，还有下式成立：毗薯) =mCL (3)因为方程的系数沿着引线是变化的(特别对纯金属，p和入与温度有很大的关系)，而且m与流进低温 液体的热量有关，也就是说m与所求得的解有关，因此精确求解上述方程是非常困难的。关于引线的设计和 其它理论一样，首先做一些简化假设，并且进行简化计算，然后逐步消除一些假设，用比较接近实际的复杂原 理设计电流引线。 电流引线的设计计算从总体上说，可以分为两种方法。第一种是采用分析法，第二种是采用数值计算的方法。(1) 分析法： 分析法的出发点
14、是做一些简化假设，对上述微分方程组进行简化计算，求得关于温度分布的解析解，并由 此出发进行引线尺寸的优化设计。经常是从以下几个方面进行考虑： 引线与冷却气体的热交换条件：(a) 理想热交换：认为引线与氦气的热 交换是充分的，即引线温度和与该点相接触气体的温度是相同的。这只是一种理想状态，但却是非常常用的一 种简化方法，结合其它的简化原则，它将使引线的设计计算大为简化，得到对于实际工作具有指导意义的解析 解2，3，8。(b) 实际热交换：考虑到引线与冷却气体之间热交换的不完全性，有两种处理二者温差的典型方法。其一 是着眼于对流换热系数h,应用传热学的有关理论或经验公式，求解hio；其二是根据引线
15、结构形式和冷却 方式，设定引线和冷却气体之间的热交换率，或类似的冷量利用系数11。 引线材料的物理性质：这种处理主要针对于引线材料的导热系数入和电阻率p。最常见的针对物性的假设有以下两种：(1) 入=constp=a(T-TJ+Poa为电阻温度系数，p0为剩余电阻率。入p=LT上式为 Wiedemann-Franz 定律，其中 L 为 Lorenze 常数。 关于冷剂物性：常见的对于冷剂物性的假设是：CP=const 截面积： 最常见的引线截面形式为等截面引线，这种形式的引线在数学处理上要比变截面引线简单。但是，等截面引线存在着不科学的地方，定性地看：在气冷引线的冷端，材料的电阻率小，相同的截面积 所产生的焦耳热少，对于冷剂冷却能力的要求相对较低，但是，此时冷却氦气的温度也很低，更能够比较充分 地冷却引线；在引线的热端，引线和氦气的温度都接近于室温，此时材料的电阻率较高，由于载流而产生的焦 耳热也较大，但是返流氦气的温度业已升高，在引线亟需冷却时却无法得到充分的冷却。因此，有必要进行变 截面引线设计。(2) 数值计算法： 这种方法是利用有限元或有限差分法对引线传热微分方程组进行离散化处理9。它充分考虑各种变化因素，尤其是考虑了引线和冷却气体的物性参数随温度的变化关系，通过数值计算来获取引线温度分布的精确解 答。但是，使用这种方法虽然对于引线的温度分布及漏热损失能够有较分
