CN110111969A - 一种超导线圈的绝缘加固方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导线圈的绝缘加固方法，尤其涉及一种高机械性能、高热稳定性、高电绝缘性能、无临界电流衰减的超导线圈的加固和绝缘方法。在水降温过程中线圈周围的水逐渐凝固成冰，完成对超导线圈的绝缘和加固。相比于现有的绝缘加固方法，本发明用简便经济的方法，使超导线圈具有更好的机械性能、热稳定性和电绝缘性能，同时不会引起超导线材临界电流的衰减，该方法制作工艺简单，成本低廉，对环境没有污染；冰加固过的磁体中的超导线材可以被重复使用；当绝缘出现损坏时，可以重新修复线圈的加固结构。该方法操作简单，是一种十分有效而且性能优异的超导线圈绝缘加固方法。

Description

一种超导线圈的绝缘加固方法

技术领域

本发明涉及磁体设计加工领域，更具体地，涉及一种超导线圈的绝缘加固方法。

背景技术

超导体在低温下电阻率极低，几乎没有电能损耗，随着超导带材制造技术的发展，用超导带材绕制的磁体在核磁共振、加速器等领域获得了广泛的应用。在高场超导磁体中带材会受到巨大的洛伦兹力的作用，因此加固对于高场超导磁体来说至关重要，合适的加固材料应能在高场下维持超导磁体机械结构的稳定性，同时还应具有良好的导热性和电绝缘性。为了便于大规模应用，加固材料还应该具有加工工艺简单、成本低、无环境危害性等优点。

传统的超导磁体加固方式多采用环氧树脂浸渍的加固方式，但是这种加固方式存在一些问题：

(1)常用的环氧树脂在低温下的收缩率比大多数金属材料高4～5倍，在磁体降温过程中，由于收缩率相差较大，环氧树脂会对带材表面产生较大的横向拉应力。这种现象对于具有多层结构的二代高温超导带材来说破坏性更大，当拉应力超过带材所能承受的应力极限时，带材会产生分层现象，最终导致磁体临界电流的衰减；

(2)环氧树脂在低温下的热导率较低，当磁体内发生局部过热时，热量无法及时传递出去，引起局部热量堆积，严重时可能烧毁磁体；

(3)用环氧树脂加固磁体的工艺复杂，成本较高，并且环氧树脂加固的磁体中的带材无法重复利用，在应用上具有一定的局限性；

(4)环氧树脂在自然状态下很难降解，会对环境造成污染等。

目前超导磁体常用的其他加固方式也都有其自身局限性，比如石蜡加固方式的机械强度较低，在高场下无法维持磁体机械性能的稳定性；热收缩管加固方式制作过程复杂，不适于大规模应用。以上是目前超导线圈绝缘和加固存在的突出问题，这严重影响了超导线圈在高场下的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术采用环氧树脂绝缘和加固超导线圈的方法会导致磁体临界电流的衰减、导致局部热量堆积、工艺复杂以及对环境存在污染，以及其他加固方式也存在局限性等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种超导线圈的绝缘加固方法，包括以下步骤：

向超导线圈所在容器内注水，直至所述超导线圈完全浸没在水中；

对所述水进行降温，直至水完全凝结为冰，所述冰用于对超导线圈加固，所述降温过程中冰收缩对超导带材产生的应力不超过超导带材能承受的应力极限，使得冰不引起超导线圈临界电流衰退，所述超导带材用于绕制所述超导线圈，所述超导线圈在低温条件下工作。

可选地，降温的速率需低于预设阈值，避免降温结冰过程中产生裂纹，影响冰的机械性能。

可选地，所述水为脱气水。

可选地，所述方法还包括如下步骤：

对水进行降温前，让水充分浸渍超导线圈，让水填充满超导带材间的缝隙。

可选地，在水降温结冰过程中避免产生气泡。

可选地，所述方法还包括如下步骤：

如果水在降温过程冰中产生气泡或裂纹，则将冰加固的超导线圈恢复至常温；

排除水中气体，或者将原先超导线圈所在容器内的水倒出，重新向所述容器内加入脱气水，直至所述超导线圈完全浸没在水中；

对所述水进行降温使其结冰，直至水完全凝结为冰。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的超导线圈的绝缘加固方法，采用冰对超导线圈加固，冰在低温下的收缩率与超导带材接近，降温过程中冰收缩引起的对带材的拉应力很小，多次热循环后没有超导线圈临界电流衰退现象；冰的热导率和比热容相对于环氧较高，在磁体内部发生局部过热的时候，冰能在不引起大的温升的条件下吸收热量，并及时将热量传导出去，避免热量累积，防止对磁体造成永久损坏；冰的电导率很低，超导冰线圈具有良好的电绝缘性能；冰的机械强度较高，能在高场下对磁体起到很好的加固效果。

本发明提供的超导线圈的绝缘加固方法，若加固磁体用的冰出现裂纹等损坏，可先将磁体恢复至室温，再降温结冰，重新完成线圈的加固；冰加固的制作工艺简单，成本低，实用性更大；冰加固后的超导线材可以循环使用，节省成本；冰无污染，是一种环境友好型的加固材料。

本发明提出一种用冰作为超导磁体加固材料的方式，填充在磁体周围的水在与磁体同时降温的过程中凝结成冰，起到对磁体加固和绝缘的效果。此加固方式能有效解决传统磁体加固方式存在的问题。

附图说明

图1为本发明提供的超导线圈的绝缘加固方法流程图；

图2为本发明提供的冰加固的超导线圈的结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1是加固用的冰，2是线圈骨架，3是超导线圈，4是容置容器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明提供的超导线圈的绝缘加固方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S101，向超导线圈所在容器内注水，直至所述超导线圈完全浸没在水中；

S102，对所述水进行降温使其结冰，直至水完全凝结为冰，所述冰用于对超导线圈加固，所述降温过程中冰收缩对超导带材产生的应力不超过超导带材能承受的应力极限，使得冰不引起超导线圈临界电流衰退，所述超导带材用于绕制所述超导线圈，所述超导线圈在低温条件下工作。

具体地，针对上述超导磁体加固存在的问题，本发明提出一种用冰加固超导磁体的方法，该方法包括如下步骤：

1)将待加固的超导磁体放置在容置装置内；

2)向容置装置内注入水至完全浸没磁体；

3)静置整个容置装置至水完全浸渍整个磁体；

4)对整个装置逐渐降温，直至水完全凝固成冰，完成对磁体的加固

具体地，磁体的加固过程是随着磁体的降温逐步进行的。

作为优选：所述的水最好选用脱气水，同时在水降温结冰过程中尽量避免产生气泡。

作为优选：所述的降温结冰速率应当足够缓慢，避免降温结冰过程中产生裂纹，影响冰的机械性能。

作为优选：降温前让水充分浸渍磁体，让水填充满带材间的缝隙。

作为优选：加固用冰的厚度适中，既能起到绝缘加固作用，又不影响热稳定性。

作为优选：冰的加固方式适用于NbTi、NbSn3等低温超导磁体和YBCO、铁基超导等高温超导磁体的加固。

需要说明的是，高温超导磁体工作在温度77K左右，相对于低温超导磁体工作在温度4K而言，仍是需要在低温条件下工作。

作为优选：水中可以添加玻璃纤维、棉、麻、氯仿、防冻液等物质，以增加冰的机械强度和绝缘性能。

作为优选：冰的加固方式适用于敞口容器或闭口容器中超导磁体的加固，对于闭口容器中满水情况下的磁体加固，冰会产生较大的预应力。

图2为本发明提供的冰加固的超导线圈的结构图，如图2所示，1是加固用的冰，2是线圈骨架，3是超导线圈，4是容置容器。本实施例中的线圈加固方法，包括如下步骤：

1)将绕制好的超导线圈3放置在容置容器4内。

2)向容置容器4内注水至完全浸没线圈3。

3)静置整个装置让水充分填充线圈3内部的空间，对整个线圈3进行浸渍。

4)对整个装置逐渐降温，直至水完全凝结为冰1，实现对线圈3的加固和绝缘。

如果降温过程或者实验过程中产生气泡和裂纹，本实施例中的修复绝缘疲劳的方法，包括如下步骤：

1)将冰加固过的超导线圈恢复至常温。

2)重复上述加固过程的步骤2)到步骤4)的循环后，超导线圈3重新完成机械结构的加固。

应当理解，本发明提出的是一种新的超导线圈加固方法，公开的实施例仅是本发明的一个示例。采用本发明公开的思路用冰对超导线圈进行加固，均应属于本发明的保护范围。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超导线圈的绝缘加固方法，其特征在于，包括以下步骤：

向超导线圈所在容器内注水，直至所述超导线圈完全浸没在水中；

对所述水进行降温直至水完全凝结为冰，所述冰用于对超导线圈加固，所述降温过程中冰收缩对超导带材产生的应力不超过超导带材能承受的应力极限，使得冰不引起超导线圈临界电流衰退，所述超导带材用于绕制所述超导线圈，所述超导线圈在低温条件下工作。

2.根据权利要求1所述的绝缘加固方法，其特征在于，降温的速率需低于预设阈值，避免降温结冰过程中产生裂纹，影响冰的机械性能。

3.根据权利要求1或2所述的绝缘加固方法，其特征在于，所述水为脱气水。

4.根据权利要求1或2所述的绝缘加固方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

对水进行降温前，让水充分浸渍超导线圈，让水填充满超导带材间的缝隙。

5.根据权利要求1或2所述的绝缘加固方法，其特征在于，在水降温结冰过程中避免产生气泡。

6.根据权利要求5所述的绝缘加固方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

如果水在降温过程冰中产生气泡或裂纹，则将冰加固的超导线圈恢复至常温；

排除水中气体，或者将原先超导线圈所在容器内的水倒出，重新向所述容器内加入脱气水，直至所述超导线圈完全浸没在水中；

重新对所述水进行降温使其结冰，直至水完全凝结为冰。