CN1080087A - 超导磁体用同轴可拔气冷电流引线 - Google Patents

Abstract

本发明创造是一种超导磁体使用的同轴可拔式 气冷电流引线，它是由同轴移动式气冷引线和静止式 同轴插座两部分组成，可拔部分和静止部分的导电过 渡触头，靠触头自身的弹性压力获得表面良好导电 性。此种电流引线导电插处在冷却气流中，引线载流 能力比一般引线高，且氦气可以回收。总体结构简 单，使用方便，可广泛应用于磁共振成像超导磁体、核 磁共振谱仪超导磁体和其它要求闭环电流工作和非 闭环工作的各种超导磁体上。

Description

本发明创造属于一种超导磁体用电流引线装置，广泛用于磁共振成像超导用电流引线，谱仪超导磁体和其它需要闭环电流或非闭环电流工作的超导体***。

目前，超导用电流引线装置基本可以划分为以下几种，以接触方式分固定式和可拔式;以冷却方式分气冷和非气冷;以结构形式分同轴和非同轴。同轴可拔式电流引线达到了固定式电流引线的要求，诸如从室温导入液氦的热流最小，引线在任何突然减少和停止冷气的情况下，引线不致于烧坏，并注意滑动触头的热稳定性，低温下触头的配合压力，以及触头寿命。但这些电流引线的最大问题是引线效率不高，导体单位面积电流密度低，不适合作大电流引线，氦气不能回收。非气冷可拔式电流引线只能承载几十安培电流。采用静止爪形接触子外压动导电接触环方式载流，另部件多，体积大。

国外许多科学家基于设计一个最佳气冷电流引线，进行了理论和实验研究工作，发表了不少文章和专利申请。一个最佳气冷引线的金属和非金属材料，以固定传导方式进入液氦容器内的热量和引线通电产生的焦尔发热，导致液氦蒸发，最佳电流引线应当使液氦蒸发损失最小;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;第三个条件是，在冷气发生突然堵塞或停止时，电流引线不会烧坏。

过去人们研究气冷引线时，假设电流引线冷却***是一种理想的热交换过程。在这种情况下，对于铜的导热和电阻率完全满足

Wiedemann-Franz定律：

L＝λρ/T（1）

式中L_o＝2.445×10^-8WΩCM/K

实际上电流引线***中，导体和冷气之间不是一个理想的热交换状态，不能用一个恒定的传热系数代表。在低温情况下，电流引线材料电阻率与导热之间的Wiedemann-Franz定律只能是一个近似关系。

最佳电流引线设计通常用一维热导，方程可写为：

d/ax[λ_so（dT/ax）]+pI2/So-fh（Fθ）＝0（2）

fh（t-θ）＝mcq（dT/dθ）（3）

式中假设导体截面So是常数，电流引线是由氦气冷却，进入导体冷端液氦的热量为qo，冷气的质量流速为M＝qo/Ln，Ln为引线的长度。上述方程满足自平衡条件，这里不考虑由于向杜瓦漏热引起的氦质量流。方程（2）、（3）中一般So-导体的横截面M²，I-电流A、f-冷却周长M、h＝热传导系数WM^-2K^-1、L-有效导体热交换长度M都是定值，因此，解方程较困难。经简化，上述方程改为下面方程：

dQ.dt＝[0.00993M^0.8t（T-t）^0.18ro-p]/Q（4）

dt/dT＝1-0.00993λt（T-t）^0.18ro/（m^0.2CqQ）（5）

式中r_o＝FSd^-0.2Sq^-0.8（6）

Nu＝0.023Repr^0.4（7）

Re＝Gu（8）

Pr＝UCq/λq（9）

U＝5.02×10^-7θ^0.647SOPa（10）

λq＝2.41×10^-3θ^0.732WmK^-1（11）

r＝0.00993roM^0.8θ^0.18（12）

式中：Cq＝氦气比热 JKg^-1K^-1

d-气流直径    m

D-导体几何尺寸 IL/SAm^-1

f-冷却周长m

F-单位电流冷却周长mA^-1

G-单位面积气体流速Kgm^-2S^-1

m-氦气质量流量gs^-1

M-单位电流质量流量gs^-1A^-1

q-热流量WA^-1

Q-单位电流热流量WA^-1

r-xp/x比

Sq-冷却通导的截面积M²

T-导体温度K

γ-氦气温度K

λ（T）-导体热导Wm^-1K^-1

p（T）-导体电阻率Ωm

τ-总时间τ＝ts/I smkg^-1

θ-氦气温度K

τap-绝热近似条件下的τ smkg^-1

λq（O）-氦气导热Wm^-1K^-1

C-冷端代号

W-热端代号

U-X/L

本发明创造的目的是设计出一种带导气管的电流引线，以提高载流能力，且气液可以回收，以满足最佳气冷可拔电流引线的三个必要条件。

本发明创造的任务是这样来完成的，电流的***引线图1和静止插座图2，均以同心圆管构成气流通道冷却极性不同的内外导电体，即***引线的内导电杆（107）和外导电杆（106）在内外导电杆之间垫带孔的环形绝缘垫（104，105，110），在内外导电杆冷端有内动触头（102）和外动触头（101），在端部开冷收缩槽（301），在动触头的中部开液氦喷孔和进口（116，117，118）。内外导电杆的室温端焊有正负紫铜电极（108，111）。静止杆座的导电圆盘上有相互绝缘同轴的内静触头（201）和外静触头（202）。***引线导电杆上的动触头和静止插座的静触头是任意定位的，电流通过正负电极和内外导电杆动静触头进入磁体。液氦通过液氦喷孔和进口（116，117，118）回收入杜瓦容器。氦气通过密封接口部件（113，114，115）进入回收容器。

本发明创造所产生的积极效果在于：

1.本发明创造是集接触方式、气冷和结构为一体的高效电流引线，使室温导入液氦的热量最小，使容器内汽化的液氦得以回收，且体积小，重量轻。

2.动静触头依靠外压动接触方式导电，当动触头的弹性压力不足影响导电性能时，可拔出磁体，更换容易。

3.动静触头的接触面积大，可以承受大电流。

4.内外导电管作为导气管、磁体励磁时，可以不另开出气口，使冷氦气充分冷却导电杆和触头，冷端与室温端温差小。

5.零部件少、结构简单、工艺容易实现。

以下结合附图和最佳实施例进一步详细说明本发明创造的技术内容。

图1是***引线结构剖示图。

图2是静止插座结构剖示图。

图3是超导磁用同轴可冷电流引线总体结构图***引线和静止插座示意图。

图4是***引线又一实施例结构图。

图5是静止插座又一实施例结构剖示图。

图6是本发明创造240A电流引线的伏安特性实验曲线。

图1，***引线是由两个相互绝缘的同心圆管组成内导电杆（107）和外导电杆（106），两管之间和中空的内导电杆管芯形成气流通道，导电杆的冷端是由内动触头（102）和外动触头（101）构成，动触头的材料选用导电好、弹性强、耐磨材料或铍青铜材料，在内外动触头的端部开冷收缩槽（301）（见图3），中间部位开液氦喷孔和进口（116，117，118）。内外导电杆的室温端有正负紫铜电极（108，111）。内外导电杆之间垫带孔环形绝缘垫（104，105，110，109）是正负极隔块，（112）是绝缘密封套管。（113，114，115）是接回气密封接口部件。

图2和图5所示的静止插座，是设置在液氦或极低温气氦中，由导电圆盘上内静触头（201），外静触头（202），导电圆盘（208，209）构成，用带绝缘垫（205）的螺杆（203），螺帽（204），将导电圆盘（208，209）固定在绝缘垫板（206），绝缘底座（207）上，导电圆盘（208，209）上开有供超导线过渡焊接的沟槽（210，211）。可拔部分的***引线，电流通过室温端的正负电极至液氦或极低温气氦中，大电流通过引线的内外导电体到达磁体。因为电流引线两端分别处于室温和极低温，温差大，同时电流通过引线产生焦耳热，温差引起的传导热和焦耳热都将传入液氦，使液氦汽化，冷氦气从同轴引线通道中冲出，正常情况下冷氦气沿引线会出来，图1中动触头（101，102）中部位置开液氦喷孔和进口（116，117，118）且在内外导电杆（106，107）之间加不同的环形开孔的绝缘环（104，105，110）既为了绝缘和保证有足够的气流冷却，也为了回收液氦和回气。见图3，***引线内外动触头（102，101）端部开冷收缩槽（301），以保证液氦温度下的接触压力和气液流动。动触头处于液氦温度或极低气氦条件下，一般材料冷收缩增加、弹力减弱，在设计动触头和静触头的配合尺寸公差时需认真选择，而冷收缩槽正起到保证弹性压力和冷收缩的作用使动静触头接触良好又不致于使触头接触太紧令***和拔出都很困难。

图1和图2所示的触头（101，102，201，202）动静触头尺寸有限，在大电流通过时，触头接触处必然产生焦耳热，触头发热不仅引起液氦汽化，而且温升使磁体临界电流下降，造成磁体的不稳定因素。设计动静触头除认真设计公差尺寸配合，又要选择导电好、弹性强、耐磨的铍青铜等材料、导体截面积以10A/cm²为宜。

内外导电杆（107，106）选用紫铜或黄铜，动触头与导电杆接口用螺纹和低熔点金属焊接过渡，内动触头（102）与内导电杆（107）接口用过渡件（103）低熔点金属焊接。

实施例2.图4所示***引线的内动触头（402）短于外动触头（401）。图5所示静止插座中的内静触头（501）长于外静触头（502），且内外静触头之间填满绝缘物（503）。防止静触头结冰，对频繁操作的超导磁体使用更合适。

240安培同轴可拔气冷电流引线试验

240安培同轴可拔气冷电流引线是为六千高斯MRI超导磁体设计研制的。表1给出了240安培同轴可拔气冷电流引线的发热参数计算结果。

表1.电流引线发热计算结果

a.电流引线电阻：

电阻率    4.2K电阻    300K电阻    平均值

外管 1.6×10^-6Ωcm 3.22×10^-5Ω 0.322×10^-3Ω 0.162×10^-3Ω

内管 1.6×10^-6Ωcm 2.8×10^-50.28×10^-3Ω 0.14×10^-3Ω

b.焦耳发热：

外管    9.33W（240A）

内管    8.064W（240A）

c.触头发热：

外触头    4.8W（0.083×10）

内触头    6.72W（0.116×10）

d.

外管    0.67W/cm·K    1.072W

内管    5.7W/cm·K    10.57W

总发热功率    40.546W

根据上述最佳电流引线计算供式（1）、（2）、（3），可以取得最佳电流引线的有关设计参数：

设计d＝9mm、F＝0.26×10^-3mA^-1、S＝6.2×10^-8m²A^-1、Sq＝6.6×10^-8m²A^-1、So＝1.488×10^-5m²，由公式ro＝FSd^-0.25Sq^0.8（6）计算得：ro＝2.295×10^-5，D＝1.3×10⁷m^-1A，Qc＝1×10^-3w。由公式D＝Ic/So＝∫^TWλ/Q·dt计算出电流引线长度：L＝0.806米。实试测得电流引线的冷端功率远比表1中的平均发热计算值小。

为了考核同轴可拔气冷电流引线的热稳定性，对240安培室温、液氦和液氦下通流试验整个过程未发现引线局部过热现象，伏安特性曲线见图7。

图中曲线表示：

-室温

-LH₂（插头部分在LH₂中）

-·-LHe

Claims (6)

1、一种由可拔移动式的***引线和静止插座组成的超导磁体用同轴可拔气冷电流引线，其特征在于：***引线和静止插座都是同轴式任意定位的，***引线是两根不同极性相互绝缘的同心圆管构成内导电杆(107)和外导电杆(106)，中空的内导电插管芯与内外导电杆间形成气流通道，冷端内导电杆上的内动触头(102)和外导电杆(106)上的外动触头(101)在其动触头的端部开冷收缩槽(301)，且中间部位开液氦喷气孔和进口(116，117，118)，用以保证液氦温度下的接触压力和气液流通，内外导电杆的室温端有正负电极(108，111)，电流通过该电极和内外导电杆的动触头与静止插座，以外压接触导电进入超导磁体内。

2、根据权利要求1所述的超导磁体用同轴可拔气冷电流引线，其特征是：***引线的内导电杆（107）和外导电杆（106）之间垫开孔的环形绝缘垫（104，105，110），在***引线的冷端，内导电杆（107）与内动触头（102）用过渡件（103）螺纹连接，外导电杆（106）与外动触头（101）用低熔点金属焊接;室温端内外导电杆上有正负电极（108，111）和绝缘隔块（109），内外导电杆未端有氦气回收接口部件（113、114、115），外导电杆上套有绝缘管（112）。

3、根据权利要求1所述超导磁体用同轴可拔气冷电流引线，其特征在于，静止插座由导电圆盘正负板（302，304）、绝缘垫（303）和内静触头（201）、外静触头（202）、固定螺杆（203）、螺丝帽（204）、绝缘垫（205）将导电圆盘（208、209）固定在绝缘底座（207）上，导电圆盘（208，209）上有供超导电流引线过渡焊接的沟槽（210，211），以保证绝缘间隙和防止结冰。

4、根据权利要求1和3所述的超导磁体用同轴可拔气冷电流引线，其特征在于***引线上的动触头（101，102）和静止插座上的静触头（201，202）用低温下导电性能好、弹性强、耐磨的特殊金属材料制，触头表面镀银或其它的导电材料。

5、根据权利要求1所述的超导磁体用同轴可拔气冷电流引线，其特征在于内导电杆（407）的内动触头（402）比外导电杆（406）的外触头（401）要短得多，且静止插座的内静触头（501）比外静触头（501）相应要长得多，绝缘物（501）填满内外静触头之间隙，以防间隙内结冰。

6、根据权利要求1和2所述的超导磁体用的同轴可拔气冷电流引线，其特征在于，***引线的内外导电杆均处在流动的冷氦气中，导电杆单位面积的载流能力可以选择比较高，比非气冷式的载流大三倍。

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