CN107799226A - 一种内冷却高温超导复合导体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内冷却高温超导复合导体，其依次设置的复合导体芯、冷却介质通道、金属护套和绝缘层。复合导体芯包括由超导带材组成的并联导体和其外侧设置横截面为U型的金属管套；U型金属管套开口处的金属盲板。复合导体芯沿导体长度方向呈螺旋状设置于所述冷却介质通道内，按照一定节距实现空间扭转换位，并被金属护套包覆。本发明提供的技术方案，带螺旋状冷却通道，增加了传热表面，提高了低温冷却介质传冷效率；其金属护套可在复合导体芯失超后进行并联分流，确保了高温超导复合导体的安全运行，保证了其功能特性，提高了运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温超导复合导体，具体涉及一种带内冷却通道，具有高稳定的大载流高温超导复合导体。
背景技术
自2008年开始，国内外研究机构积极进行高温超导带材“复合化”的相关开发研究，目前超导复合导体已成为研究热点。现有的复合超导材料上主要有三类：高温超导Roebel Cable、扭转式超导复合带材和有芯电缆。铜骨架作为支撑材料的有芯电缆，相比于其它两种超导复合材料电流密度稍低。从制作工艺讲，Roebel Cable采用的超导带材不仅对质量要求高，且需激光切割，制作工艺难度大；现有的此三种超导复合带材中扭转式超导复合带材的制作工艺相对简单。从经济因素考虑，Roebel Cable超导复合导体已形成商品，价格十分昂贵，以Ic＝1000A的Roebel Cable为例，约是其它两种超导复合带材的3.5倍，这些复合超导材料都需要对其提供冷却环境以实现超导载流运行。因此从提高电流密度、扩大载流能力、减小交流损耗等方面来看，具有高载流量、低交流损耗和自冷却能力等良好超导性能的复合高温超导体是未来的发展趋势。
近年来，随着高温超导材料制备技术的不断进步，诞生了一系列性能优异的超导材料，单根超导带材自场下的临界电流可以达到100A，无疑为应用超导技术的发展奠定了基础。但是，随着人们对大载流电力装置需求的逐渐增加，单根超导带材的载流量已经不能满足实际应用的需要，而多根超导带材简单并绕的结构，会因导线支路间微小漏电抗而引起很大的环流，增加交流损耗，导致磁场分布不均匀，从而降低超导带材的临界电流。因此，需要提供一种采用复合化技术，实现大电流特征的技术方案。通过空间换位方式，既减小导线间的不平衡电流，又可使导线具有均流的特性。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种带内冷却通道，具有高稳定的大载流高温超导复合导体。
为了达到上述目的，本发明提供了采用下述技术方案：
一种内冷却高温超导复合导体，包括依次设置的复合导体芯(1)、冷却介质通道(2)、金属护套(3)和绝缘层(4)，复合导体芯(1)沿导体长度方向呈螺旋状设置于所述冷却介质通道(2)内，复合导体芯(1)包括超导带材(5)组成的并联导体和其外侧设置的横截面为U型的金属管套(7)；U型金属管套开口处设有金属盲板(8)。
一种内冷却高温超导复合导体的第一优选方案，超导带材(5)层叠排列。
一种内冷却高温超导复合导体的第二优选方案，并联导体外包裹镀银铜丝线绕包层(6)，表面镀有厚度为0.001～0.002mm的银层。
一种内冷却高温超导复合导体的第三优选方案，冷却介质通道(2)两端分别与制冷循环单元的进出口连接。
一种内冷却高温超导复合导体的第四优选方案，金属护套(3)为外方内圆的金属套管，金属套管内腔与复合导体芯侧面过盈配合固定。
一种内冷却高温超导复合导体的第五优选方案，制冷循环单元包括制冷单元和低温冷却介质输送单元；制冷单元包括制冷机、换热器和液氮、氦循环泵。
一种内冷却高温超导复合导体的第六优选方案，超导带材(5)为铋锶钙铜氧或钇钡铜氧。
一种内冷却高温超导复合导体的第七优选方案，金属护套(3)、金属管套(7)和金属盲板(8)由按质量百分比计的下述组份制得：硅0.6％，铁0.7％，铜0.05～0.2％，锰1.0～1.5％，锌0.1％，其他杂质0.15％，其余为铝。
一种内冷却高温超导复合导体的第八优选方案，绝缘层(4)为聚酰亚胺薄膜半包绕结构。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有如下有益效果：
1、本发明提供的高温超导复合导体，用复合超导带作为导电体，导电性能好、最高临界温度高、带材的电学性能提高了一倍以上；保证高温超导复合导体的温度控制在最大安全值以内、保证其功能特性，生产成本低、产品可靠性高。
2、本发明提供外部的金属管结构既能提供冷却介质通道，又能保证较好的机械强度。
3、本发明提供的外设银层的镀银铜丝绕包层的包覆结构可以提高复合导体芯承受应力的能力，增加抵抗机械变形的性能。
附图说明
图1为高温超导复合导体横截面剖视图；
其中，1—复合超导体芯，2—冷却介质通道，3—金属护套，4—绝缘层，5—超导带材，6—镀银铜丝线绕包层，7—U型金属管套，8—金属盲板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例和附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
附图1为本发明的自冷却大载流高温复合超导体结构示意图，包括1—复合超导体芯，2—冷却介质通道，3—金属护套，4—绝缘层，5—超导带材，6—镀银铜丝线绕包层，7—U型金属管套，8—金属盲板。
复合超导体芯1包括由横截面为矩形的多根超导带材5层叠构成的并联导体，超导带材5可以是第一代高温超导带材铋锶钙铜氧(BSCCO)，或者第二代涂层导体钇钡铜氧(YBCO、REBCO等)。
并联导体外包裹软金属材料，该软金属材料为镀银铜丝线，铜丝线的横截面为圆形，其表面镀有厚度为0.001-0.002mm的银层。软金属材料通过几何变形抵抗并联导体在扭转过程中的受力影响，以起到保护并联导体的作用。
包覆软金属材料的并联导体放置在U型金属套管7中，该U型套管一方面起到固定并联导体的作用，另一方面便于沿轴向长度方向扭转并联导体，防止因夹紧产生的预应力对超导带材的机械损伤。
复合导体芯1沿导体长度方向呈螺旋状设置于所述冷却介质通道内，按照一定节距实现空间扭转换位，并被金属护套3包覆，通过扭转实现导体空间换位，以平衡电磁场对各根超导带材载流能力的影响，实现多根超导带材的均流分布。复合超导体芯1扭转节距根据实际均流特性确定。
冷却介质通道2为复合超导体芯1与金属护套3之间形成的空气隙。该空气隙整体包覆复合导体芯，并沿轴向长度方向螺旋延伸。该冷却介质通道2通过扩大与复合导体芯的接触表面积，有利于提高散热效率。冷却介质通道2可以流过液体、气体或气液混合的低温冷剂，低温冷剂温度区间宽广(4.2K-90K)。
冷却介质通道连接制冷循环单元的进出口。制冷循环单元包括制冷单元和低温冷却介质输送单元。制冷单元包括制冷机、换热器和液氮或液氦循环泵。通过加压实现低温冷却介质在输送单元中的循环流动。
金属护套3为外方内圆的金属套管，其内腔与所述复合超导体芯1侧面过盈配合固定，之间为无缝接触。金属护套3在复合超导体芯失超后进行并联分流，以避免高温超导复合导体的热负荷增加超过它的最大安全值，保护内部超导带材，提高高温超导复合导体载流运行稳定性。金属护套3需要具有一定机械弯曲强度，可以进行工艺绕制；金属护套3需要保证一定的压力和气密性，防止内部冷却媒质膨胀对金属护套产生压力和泄露影响。特别是当采用低温氦气作为冷却媒质时候，由于氦气分子非常小，对金属护套材料和气密性提出了非常高的要求。
基于上述特征要求，本发明的金属护套、金属管套和金属盲板材料按质量百分比计，由下述组份制得：硅0.6％，铁0.7％，铜0.05～0.2％，锰1.0～1.5％，锌0.1％，其他杂质0.15％，其余为铝。
绝缘层4采用聚酰亚胺薄膜半包绕结构，包绕在金属护套外表面，可以保证复合超导体的外部绝缘特性，便于应用复合超导体开展高载流超导电力装备的研制工作。
正常流通过程中，电流通过复合超导体芯1中的高温超导带材8，由于冷却介质通道2中冷却媒质实现冷却。高温超导带材具有较好的冷却效果，交流损耗也很小。同时多根高温超导带材5的沿轴向方向的扭转换位，也保证各个超导带材磁场分布均匀，受磁场影响一致性较好，便于提高高温复合超导体的使用寿命。冷却介质通道2中可以通入低温冷却气体或者冷却液体，利用制冷机可以根据复合超导体运行温度需要对进口和出口冷却媒质的温度进行控制。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种内冷却高温超导复合导体，所述高温超导复合导体包括依次设置的复合导体芯(1)、冷却介质通道(2)、金属护套(3)和绝缘层(4)，其特征在于，所述复合导体芯(1)沿导体长度方向呈螺旋状设置于所述冷却介质通道(2)内，所述复合导体芯(1)包括超导带材(5)组成的并联导体和其外侧设置的横截面为U型的金属管套(7)；所述U型金属管套开口处设有金属盲板(8)。
2.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述超导带材(5)叠层排列。
3.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述并联导体外包裹镀银铜丝线绕包层(6)，表面镀银厚度为0.001～0.002mm。
4.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述冷却介质通道(2)两端分别与制冷循环单元的进出口连接。
5.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述金属护套(3)为外方内圆的金属套管，所述金属套管内腔与所述复合导体芯侧面过盈配合固定。
6.根据权利要求4所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述制冷循环单元包括制冷单元和低温冷却介质输送单元；所述制冷单元包括制冷机、换热器和液氮或液氦循环泵。
7.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述超导带材(5)为铋锶钙铜氧或钇钡铜氧。
8.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述金属护套(3)、金属管套(7)和金属盲板(8)由按质量百分比计的下述组份制得：硅0.6％，铁0.7％，铜0.05～0.2％，锰1.0～1.5％，锌0.1％，其他杂质0.15％，其余为铝。
9.根据权利要求1所述的一种内冷却高温超导复合导体，其特征在于，所述绝缘层(4)为聚酰亚胺薄膜半包绕结构。
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