專利名稱：：用于高溫超導電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件的制作方法
技術領域：
：本發明屬于低溫超導磁體的饋線
技術領域：
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背景技術：
：熱核聚變將是人類徹底解決能源需求之路，國際熱核聚變試驗堆(ITER)計劃將在未來十年實施。為大型超導磁體饋電的電流引線是最主要的熱負荷來源。采用高溫超導(HTS)電流引線可使致冷電耗節省2/3。2003和04年日、德先后為ITER磁體研發成功60kA和70kAHTS電流引線，在低溫試驗時都與常規銅電流引線配對。日本原子能所采用很多條鈮鈦超導線連接HTS組件和銅電流引線，液氦浸泡冷卻，純粹為完成低溫試驗的權宜做法。德國FZK研究中心技術物理所的電流引線做得十分講究HTS組件冷端與一塊高導銅板焊成一體，為減小接頭電阻，與另一條電流引線連接的銅板表面作鍍金處理，而且內埋兩條鈮三錫電纜，并灌滿錫鉛焊料。日本原子能所技術不符合與ITER穿管超導電纜的盒式接頭連接的要求；德國的接頭造價很高大面積鍍金十分昂貴，而且靠螺釘壓緊的連接電阻較大，容易蠕變松弛；此外，鈮三錫電纜的75(TC熱處理生成鈮三錫化合物后才超導，熱處理2周時間費用也很昂蟲貝°低溫超導組件是巨型熱核聚變裝置中超導磁體的供電饋線的部件，采用高溫超導(HTS)電流引線可節省常規電流引線致冷能耗的2/3，原常規電流引線的熱負荷又占聚變裝置總熱負荷的60%，故經濟效益明顯，采用HTS電流引線已經成為從事超導磁體設計者的共識。而電流引線的HTS段冷端不宜與超導磁體相連的超導母線直接連接，通常的做法首先將高溫超導的冷端過渡為低溫超導線束，此線束的另一端做成與穿管絞纜(CICC)超導母線端頭可方便現場連接的盒式接頭。但目前的接頭技術不能達到足夠低的接頭電阻。歐洲核研究中心的13kA高溫超導電流引線采用兩條鈮鈦超導線與一條HTS疊直接錫焊；這與日本60kA電流引線類似，但這兩家的電流引線都不與迫流冷卻的超導母線連接，或者說不要求HTS疊冷端處于真空環境。在設計EAST托克馬克的15kA高溫超導電流引線時，也采用兩條直徑0.87mm鈮鈦超導線與一條HTS疊直接錫焊，但EAST磁體和超導母線都采用迫流冷卻的穿管絞纜超導體，它要求HTS組件在絕熱真空環境中。而與HTS疊連接的低溫超導線另一端必須在超臨界氦流中冷卻，因此它們不得不穿越真空與氦流的界面。由于限制釬焊超導線的最高溫度不得大于30(TC，故錫鉛焊成了通常的選擇。如果操作得不當容易泄漏，而且難以修理。
發明內容本發明的目的是提供一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，低溫超導組件與HTS組件分開組裝，本身滿足真空氣密性要求，且總接頭電阻滿足小于l納歐的要求(ITER要求)；此外，與超導母線連接適合成對盒式接頭要求，總接頭電阻低于2納歐。3本發明的技術方案如下—種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于具體有一接頭盒，接頭盒由底座與蓋板組成，所述的底座與蓋板均由銅板與不銹鋼板經過爆炸焊接為一體，底座與蓋板的銅板層上有對合的半圓槽；數根低溫超導線束螺旋繞套在銅桿外，銅桿側壁上開有槽；所述的低溫超導線和接頭盒的底座與蓋板的銅板層表面事先熱鍍Sn-40Pb焊料，并不得殘留焊劑，然后數根低溫超導線束與銅桿一起插入接頭盒的半圓槽中，然后在200噸壓力下進行氬弧焊接，并將接頭盒底座與蓋板的不銹鋼板之間焊接連接；所述低溫超導線束的另一端嵌鑲在銅質分流錐外壁上軸向條形槽內，所述銅桿端部插入分流錐的錐形端部凹槽內并真空釬焊連接；所述的HTS組件的銅套內有連接配合段，它在銅質分流錐的圓柱端配合處具有一環形凸起過盈配合，在裝配時需對外套加熱至12(TC，連接孔與銅質分流錐之間的間隙通過從上至下流入的熔化焊料進行焊接；氦密封套罩在銅質分流錐外，一端與接頭盒焊接連接，氦密封套另一端與HTS組件的銅套上的不銹鋼環氬弧焊，氦密封套罩上還與氦氣進/出管焊接；銅質分流錐中部有臺階狀沉孔，側壁上有開孔與沉孔聯通，所述的氦氣進/出管與開孔接通，所述的銅質分流錐的外緣有18個冷卻通道，從氦氣進/出管進入的氣氦從銅質分流錐側壁上的開孔進入臺階狀沉孔，然后進入HTS組件與銅質分流錐端部之間的間隙內，然后從銅質分流錐外緣上冷卻通道進入氦密封套與銅質分流錐之間的間隙中，然后，再經過銅桿側壁上的槽進入接頭盒內。—種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于所述的焊接采用熔點差異3040度的錫_銀_銅、錫_鉛、鉍_錫和鉍_錫_鉛焊料，防止后道焊接導致前道焊料熔化；并且所選焊料在5K溫度具有超導電性或低電阻率。根據權利要求2所述的一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于所述的低溫超導線采用截面為矩形的鈮鈦超導線，數量為90條，截面積為1X2.7mm2;螺旋繞套在銅桿外時，鈮鈦超導線窄邊貼在銅桿外。在結構設計方面，本發明組件為一相對獨立的組件，其冷端與超導母線連接，采用接頭盒設計；另一端的載流件將與HTS組件的冷端銅套內孔真空錫焊。本發明低溫超導線束采用90條矩形截面為lX2.7mm鈮鈦超導線作為低溫超導組件的載電流主體，表l給出了超導線的參數和性能。在4.2K溫度和5T磁場下一條F5400超導線的臨界電流高達2，200A;對于實際運行溫度可能高達5-6K，但磁場低于0.25T。當90條超導線并聯時，其載流能力可超過210kA，是額定電流的3倍。如此大的載流裕度是十分必要的，主要是考慮冷卻氦流溫度在4.5K時，超導線的運行溫度可高達4.8K或以上；其次是出現失冷故障發生時，低溫超導組件失超發生的時間推遲，也許在磁體及時退電流至零前不出現失超。矩形截面的周界大于圓形線，有利于接頭電阻降低。表1德國BrukerEAS公司F5400NbTi/Cu超導線參數<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>采用1X2.7mm矩形截面超導線的主要問題是螺旋地立繞(窄邊貼在銅桿外壁)在外徑32mm銅桿上十分困難，因為導線截面積較大，而且需繞的超導線有90條；而且立繞使超導線與接頭盒的銅板接觸面之間容易產生壓痕，獲得較低的接頭電阻。解決立繞困難的方法是采用事先在直徑稍大些的模具芯棒上密繞(可利用車床，810條低溫超導線一起并繞)，在裝配時像拉彈簧似的拉開即可。這90條超導線另一端嵌鑲在銅質分流錐外壁上的的條形槽內，銅質分流錐和銅桿在超導線失超時將分流電流，保護超導線失超后不會過熱而損壞。低溫超導線束和銅桿一起插入接頭盒底座與蓋板之間，兩者之間不宜過緊，也不應太松。超導線束與接頭盒的銅板板之間的低接頭電阻是依靠在200噸油壓下進行接頭盒氬弧焊封蓋。接頭盒由304不銹鋼厚板和高導無氧銅板爆炸焊接而成，其焊縫必須達到真空氣密。應該注意，為確保獲得低接頭電阻，超導線和接頭盒銅板表面應事先熱鍍Sn-40Pb焊料，并不得殘留焊劑。最終，低溫超導組件與HTS組件之間電連接采用熔點143°C的鉍_錫_鉛焊料。在5K低溫下、當電流密度低于3.5A/mm2時它具有超導電性。只要電流密度低于4A/mn^，可使接頭電阻足夠低。<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>焊料組分熔點[°c]19.26Bi-39.41Sn_Pb143Bi-18.8Sn-21.2Pb100低溫超導組件和HTS組件之間的釬焊在真空容器中進行，工件豎直放置，利用重力使融化的焊料流入焊縫中，HTS組件支撐筒端部內側與銅質分流錐的圓柱端配合處具有一環形凸起，寬度5mm，采用過渡配合，以防止焊料從下端流失，裝配時HTS組件銅套在大氣中加熱至12(TC，低溫超導組件銅質分流錐插入。低溫超導組件的氦密封套一端與不銹鋼接頭盒焊接，另一端與HTS組件焊接，此外還與氦氣進/出管焊接；這三道焊縫都要求真空氣密，仔細檢漏。為減小壓頭損失，纏繞低溫超導線的銅桿兩側開有槽。發明的效果低溫超導組件與高溫超導組件之間的總電阻0.5和0.66納歐，也滿足<1納歐要求。圖1為本發明結構示意圖。圖2為在低溫下幾種焊料的接頭電阻的V-A特性圖。具體實施例方式—種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，具體有一接頭盒l，接頭盒1由底座與蓋板組成，所述的底座與蓋板均由銅板與不銹鋼板經過爆炸焊接為一體，底座與蓋板的銅板層上有對合的半圓槽；截面積為1X2.7mm2的矩形鈮鈦超導線束2，數量為90條，螺旋狀窄邊繞套在銅桿3夕卜，銅桿3側壁上開有槽4;矩形鈮鈦超導線2和接頭盒1的底座與蓋板的銅板層表面事先熱鍍Sn-40Pb焊料，并不得殘留焊劑，然后矩形鈮鈦超導線束2與銅桿3—起插入接頭盒1的半圓槽中，然后在200噸壓力下進行氬弧焊接，并將接頭盒1底座與蓋板的不銹鋼件之間焊接連接；所述矩形鈮鈦超導線束2的另一端嵌鑲在銅質分流錐5外壁上軸向條形槽內，所述銅桿3端部插入分流錐5的錐形端部凹槽內并真空焊接連接；所述的HTS組件的銅套7與所述銅質分流錐5的圓柱端配合處具有一環形凸起6，達到過盈配合，連接孔與銅質分流錐5之間的間隙通過從上至下流入的熔化焊料進行焊接；氦密封套8罩在銅質分流錐5外，一端與接頭盒1焊接連接，氦密封套8另一端與HTS組件的銅套7上不銹鋼環焊接，氦密封套8上焊接連接有氦氣進/出管9;銅質分流錐5中部有臺階狀沉孔IO，側壁上有開孔11與沉孔聯通，所述的氦氣進/出管9與開孔11接通，所述的銅質分流錐5的外緣有18個冷卻通道12，從氦氣進/出管9進入的氣氦從銅質分流錐5側壁上的開孔11進入臺階狀沉孔10，然后進入HTS組件與銅6質分流錐5端部之間的間隙內，然后從銅質分流錐5外緣冷卻通道12進入氦密封套8與銅質分流錐5之間的間隙中，然后，再經過銅桿3側壁上的槽4進入接頭盒1內。分流錐與HTS組件銅套真空釬焊，采用熔點143°C的鉍-錫-鉛焊料。本發明已應用于為ITER裝置研發的68和52kA高溫超導電流引線設計，并且獲得了滿足ITER技術要求的試驗結果。試驗結果表明，兩個超導線立繞接頭電阻分別為0.85和1.31納歐，遠遠低于ITER要求的2納歐。此接頭電阻包括6部分1)鈮鈦超導線的銅基體電阻，2)超導線與接頭盒銅板之間的接觸電阻，3)兩塊接頭盒底座與蓋板上的銅板層電阻，4)兩塊接頭盒底座與蓋板上銅板層之間鉍-錫-鉛低溫焊料(熔點IO(TC)電阻，5)連接兩條電流引線的超導電纜銅基體電阻，6)超導電纜與接頭盒銅板之間的接觸電阻。其中電阻值大的接頭是由于接頭盒封蓋時超導電纜與接頭盒銅板的接觸壓緊程度不夠，既變形量較小。總之，矩形超導線立繞與接頭盒銅板的接觸電阻可達到相當小水平(50納歐*厘米2)。對低溫超導組件有4項基本要求1)足夠大的載流能力，2)足夠低的接頭電阻，3)較低的壓頭損失，4)較低的制造成本。68/52kA兩條電流引線的最大試驗電流達90kA，高于額定電流32X。其低溫超導組件與高溫超導組件之間的總電阻0.5和0.66納歐，也滿足<1納歐要求；其中低溫超導組件與HTS組件上銅環電阻僅僅0.16納歐，說明90條矩形截面超導線平布的設計是成功；在85kA穩態電流試驗中對于10g/s氦流量，兩個盒式接頭和兩個電流引線冷端的全部壓頭損失為6kPa，這是相當低的壓差。此外，相對于昂貴的的Nb3Sn和鍍金FZK接頭，本發明低溫超導組件既成本低又性能滿足要求。權利要求一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于具體有一接頭盒，接頭盒由底座與蓋板組成，所述的底座與蓋板均由銅板與不銹鋼板經過爆炸焊接為一體，底座與蓋板的銅板層上有對合的半圓槽；數根低溫超導線束螺旋繞套在銅桿外，銅桿側壁上開有槽；所述的低溫超導線和接頭盒的底座與蓋板的銅板層表面事先熱鍍Sn-40Pb焊料，并不得殘留焊劑，然后數根低溫超導線束與銅桿一起插入接頭盒的半圓槽中，然后在200噸壓力下進行氬弧焊接，并將接頭盒底座與蓋板的不銹鋼板之間焊接連接；所述低溫超導線束的另一端嵌鑲在銅質分流錐外壁上軸向條形槽內，所述銅桿端部插入分流錐的錐形端部凹槽內并真空釬焊連接；所述的HTS組件的銅套內有連接配合段，它在銅質分流錐的圓柱端配合處具有一環形凸起過盈配合，在裝配時需對外套加熱至120℃，連接孔與銅質分流錐之間的間隙通過從上至下流入的熔化焊料進行焊接；氦密封套罩在銅質分流錐外，一端與接頭盒焊接連接，氦密封套另一端與HTS組件的銅套上的不銹鋼環氬弧焊，氦密封套罩上還與氦氣進/出管焊接；銅質分流錐中部有臺階狀沉孔，側壁上有開孔與沉孔聯通，所述的氦氣進/出管與開孔接通，所述的銅質分流錐的外緣有18個冷卻通道，從氦氣進/出管進入的氣氦從銅質分流錐側壁上的開孔進入臺階狀沉孔，然后進入HTS組件與銅質分流錐端部之間的間隙內，然后從銅質分流錐外緣上冷卻通道進入氦密封套與銅質分流錐之間的間隙中，然后，再經過銅桿側壁上的槽進入接頭盒內。2.根據權利要求1所述的一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于所述的焊接采用熔點差異3040度的錫_銀_銅、錫_鉛、鉍_錫和鉍_錫_鉛焊料，防止后道焊接導致前道焊料熔化；并且所選焊料在5K溫度具有超導電性或低電阻率。3.根據權利要求2所述的一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件，其特征在于所述的低溫超導線采用截面為矩形的鈮鈦超導線，數量為90條，截面積為1X2.7mm2;螺旋繞套在銅桿外時，鈮鈦超導線窄邊貼在銅桿外。全文摘要本發明公開了一種用于高溫超導特大電流引線冷端、低接頭電阻的低溫超導組件。40～70kA高溫超導特大電流引線下端與低溫超導母線連接的電阻必須低達～1納歐水平。本發明采用矩形截面鈮鈦/銅超導線和高導銅材，與超導母線的連接用成對盒式接頭結構。試驗已證明，本發明的低溫超導組件與高溫超導組件的接頭電阻可低達0.5納歐，與超導母線的接頭電阻低于1納歐。本發明系開發國際熱核聚變試驗堆特大電流引線的中間成果，其特點是構思新穎，制造成本低。文檔編號H01R4/58GK101694908SQ20091014512公開日2010年4月14日申請日期2009年9月30日優先權日2009年9月30日發明者畢延芳,沈光,黃雄一申請人:中國科學院等離子體物理研究所;